ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Одной из составляющих атмосферы и космического пространства является пыль. Содержание ее на разных высотах зависит от многих факторов. Если в нижней атмосфере содержание пыли определяется в основном процессами различных выбросов и общего перемешивания атмосферы, то в верхней атмосфере Земли содержание пыли определяется исключительно процессами прихода (захвата) и торможения метеорного вещества. Таким образом, уже сейчас достаточно хорошо установлено, что природа пылевой составляющей атмосферы Земли на различных высотах различна.

В настоящее время изучению пылевой составляющей атмосферы и космического пространства уделяется большое внимание. Этому вопросу посвящено большое количество работ исследователей различных специальностей: астрофизиков, оптиков, химиков, биологов, метеорологов, медиков и т. д.

Большой интерес к вопросу изучения пылевой составляющей привел к развитию нескольких, порой дополняющих друг друга методов исследования. Хотя проблема °чень далека от завершения, тем не менее некоторые характеристики пылевой составляющей атмосферы Земли уже известны и вызывают серьезную тревогу. Это относится прежде всего к пылевой составляющей нижней атмосферы 肘 приземного слоя, т. е. к той части атмосферы, в которой проходит деятельность человека. В этой связи очень важ- ны высказывания академика И. Петрянова о необходи- мостн эффективной борьбы за чистоту атмосферы («Правда» от 3 июня 1968 г.). “

Дело в том, что рассеяние в атмосфере вредных примесей и процесс перемешивания нижних загрязненных и высотных чистых слоев воздуха протекают слишком медленно. В результате промышленные центры и индустриальные города накрыты гигантским колпаком воздуха, отравленного газами и аэрозолями, толщиною в сотни и тысячи метров. Во многих больших промышленных районах уже теперь трудно дышать.

Известно, что загрязнение воздуха над крупными городами ведет к изменению климатических условий, ускоряет разрушение металлоконструкций, зданий, одежды, создает помехи авиации, влияет на урожайность сельскохозяйственных культур и т. д.

Можно с достаточной уверенностью сказать, что на земном шаре практически нет незагрязненных мест. Поэтому изучение пылевой составляющей атмосферы и борьба за чистый воздух уже в настоящее время представляют задачу огромной важности, имеющую мировое значение.

Не менее важно изучение пылевой составляющей верхней атмосферы и космического пространства. Последние вопросы связаны с решением многих задач физики верхней атмосферы и космического пространства.

В этой связи следует указать, что изучение пылевой составляющей верхней атмосферы окажет существенную помощь в решении вопросов космогонии солнечной системы и космических полетов.

Имеющиеся в настоящее время данные о пылевой составляющей зодиакального облака, межзвездной среды и вообще космического пространства, полученные на основании решения обратной задачи рассеяния света и другими косвенными методами астрономии и астрофизики, достаточно скудны. Многие вопросы решены неоднозначно, или по крайней мере существует несколько точек зрения. Решение может быть получено только в результате прямых экспериментов. Прямые измерения пылевой составляющей космического пространства практически только начаты и получены первые сведения. Это касается прежде всего пылевой составляющей у поверхности Луны. Можно не сомневаться, что в недалеком будущем начнутся исследования межзвездной пыли.

Таким образом, книга известного американского исследователя Р. Кейдла посвящена важному разделу науки о пылевой составляющей атмосфер Земли и планет, межпланетной среды и Галактики.

Книга отражает современное состояние наших знаний практически по всем затронутым вопросам. Несомненно, изложение в одной книге такого обширного материала привело к некоторой конспективности, поэтому многие разделы книги могут быть восприняты главным образом как справочный материал, снабженный библиографией. Следует также отметить, что в книге практически отсутствуют результаты советских исследований.

Можно не сомневаться, что книга Р. Кейдла «Твердые частицы в атмосфере и космосе» будет полезна широкому кругу специалистов.

Л. Макаров

ПРЕДИСЛОВИЕ

Начало этой книге практически было положено в 1949 г., когда меня пригласили принять участие в изучении химического состава смога в Л ос-А нджел есе, штат Калифорния. С тех пор мне неоднократно представлялась возможность выполнить ряд теоретических и прикладных исследований по мелким частицам, особенно по взвешенным в воздухе. Это заставило меня н моих сотрудников заняться такими делами, как полеты через пылевые облака, образовавшиеся при подземных взрывах тротила, участие в ядерных испытаниях, разработка и применение высокоскоростной аппаратуры для микрофотографии in situ ледяных частиц аляскинских ледяных туманов и сбор проб вулканических выбросов. Вдобавок мы выполнили множество лабораторных экспериментов. На основании моего опыта у меня создалось впечатление, что исследование мелких частиц— в такой же мере искусство, как и наука, и что методика, применяемая в одной области, например при изучении смога, может быть использована также в весьма отдаленных областях, таких, как исследование пыли в далеких галактиках. Кроме того, на меня произвело сильное впечатление многообразие способов, которыми частицы аэрозоля, возникающие из одного ис- точника, влияют на частицы из другого источника, находящиеся в том же самом аэрозоле. Одним из примеров такого влияния является действие ядер сублимации, добавляемых в переохлажденное облако; другой пример —— агломерация частиц, возникающих при высотных ядерных взрывах, с частицами естественного аэрозоля.

Из-за того что многие искусственные частицы по размерам и составу подобны частицам естественных аэрозолей и взаимодействуют с ними, большая часть книги посвящена частицам искусственного происхождения. Взвешенные в воздухе искусственные частицы все больше и больше вредят нашему здоровью и попросту мешают жить.

Эта книга, как и предыдущая моя книга под названием «Размеры частиц — теория и приложения ее в промышленности», по своему характеру является промежуточной между введением в вопрос и исчерпывающим трактатом. Она написана специально для тех ученых и инженеров, которые не являются специалистами по мелким частицам, или для тех, кто специализировался только в каком-либо одном вопросе этой проблемы и хочет узнать больше о природе частиц во Вселенной в целом. Я не пытался дать исчерпывающий обзор литературы, и ссылки на оригинальные работы даны лишь как примеры вследствие их особой важности или исторического интереса. Кроме того, даны многочисленные ссылки на обзоры и монографии, в которых вопросы, затронутые в книге, рассматриваются более подробно. Это позволит читателю, интересующемуся каким-либо частным вопросом, получить более детальную информацию, чем та, которую можно было изложить здесь.

Мир наводнен книгами, и новую книгу следует писать только тогда, когда есть надежда, что она удовлетворит какие-либо потребности. Целью этой книги было собрать в одном томе информацию о мелких частицах во Вселенной. Эта информация в основном рассеяна по обширной литературе, охватывающей такие дисциплины, как астрономия, загрязнение воздуха, физика облаков, метеорология, радиоактивные выпадения и космические исследования. Я полагаю, что такая книга будет полезна уже хотя бы вследствие исключительного разнообразия природы частиц, попадающих в определенную часть Вселенной. Например, частицы в нашей атмосфере возникают как при работе заводов, так и из лопающихся пузырьков в океанах или при распаде комет. Если мы хотим понять природу частиц в земной атмосфере, будет полезно рассмотреть более подробно все эти источники. Другой пример ——это пыль на лунной поверхности, которая, вероятно, частич-

но состоит из собственно лунного вещества, а частично — из микрометеорных тел, постоянно падающих дождем на поверхность Луны.

Р. Д, КейдлР. Д, КейдлЯ признателен за помощь в подготовке этой книги целому ряду лиц, в том числе всем предоставившим иллюстративный материал. Я хочу особо поблагодарить д-ра У. О. Робертса, директора Национального центра атмосферных исследований, вдохновившего меня на написание этой книги, и д-ра Э. Р. Аллена, д-ра Э. А. Мартелла и П. Сирса, просмотревших отдельные ее части.

Р. Д, Кейдл

Р. Д, Кейдл

Боулдерt штат Колорадо апрель 1966

ВВЕДЕНИЕ

Мелкие частицы в атмосфере и в космосе представляют интерес по крайней мере по трем причинам. Во-первых, многие типы таких частиц имеют огромное практическое значение. Примером тому трагедия пылевых бурь на Великих равнинах США в 30-х годах. Другой пример — защита, которой должен быть снабжен космический корабль, чтобы свести к минимуму вероятность пробивания его поверхности микрометеорным телом. Во-вторых, знание природы и поведения частиц во Вселенной позволяет судить о других свойствах Вселенной. Например, отдельные типы частиц в нашей атмосфере, такие, как радиоактивные выпадения, пыльца и некоторые бактерии, служат индикаторами движений воздушных масс и говорят нам многое о динамике атмосферы. В-третьих, частицы как геологические и космические явления интересны сами по себе. Например, межпланетные частицы, по-видимому, ответственны за зодиакальный свет, и существование их поднимает многочисленные вопросы об их природе и происхождении.

В этой книге мы будем рассматривать все три перечисленных аспекта, но не все виды частиц. Необходимо ограничить диапазон размеров рассматриваемых частиц. Довольно произвольно мы ограничили этот диапазон размерами от 0,05 до 104 мк (от 5 • 10~6 до 1 см)・ Нижний пре- Дел немного перекрывается с коллоидным диапазоном, а верхний — с диапазоном, в котором возможны прямые измерения отдельных частиц без увеличения. Выбранный диапазон включает те частицы в нижней атмосфере, которые сохраняются во взвешенном состоянии в течение долгого времени, и более крупные частицы, такие, как дождевые капли, градины и большая часть метеорных тел.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ

Термины «частица» и «размер частицы» часто употребляются в очень неясном значении и требуют четкого определения. Неопределенность термина «частица» обычно возникает из-за необходимости различать агрегаты частиц и составляющие их «первичные» частицы. Термин «размер частицы» часто употребляется в очень неопределенном смысле даже для сферических частиц: он может означать либо радиус, либо диаметр.

Чтобы избежать этой двусмысленности, были разработаны многочисленные определения размера частиц. Размер можно определить л ибо как статистическую характеристику, основанную на измерениях каждой из большого числа частиц в порошке или суспензии, либо исходя из какого- либо свойства суспензии, связанного с размером частиц. Измерения с применением оптической или электронной микроскопии и просеивания основаны на определениях первого типа, тогда как измерения рассеяния света, широко применяемые в атмосферных и астрономических исследованиях, основаны на определениях второго типа.

Статистическое определение диаметра, получившее широкое распространение, было предложено Мартином [1 ]. Он определяет размер как расстояние между противоположными сторонами частицы, измеряемое вдоль линии, делящей площадь проекции пополам. Необходимо условиться о направлении, вдоль которого проводятся измерения. Например, когда размеры определяются при помощи микроскопа, удобно пользоваться направлением, параллельным нижнему краю поля зрения. Очевидно, что результат измерения отдельной неправильной частицы зависит от ее ориентации, но путем измерения большого числа частиц можно получить статистически значимую величину.

Другое очень полезное определение размера — это диаметр круга, площадь которого равна площади проекции частицы. Для сравнения площадей существуют специальные окулярные микрометры (сетки) [2—41; некоторые типы их имеются в продаже.

Для некоторых целей полезно определить и дать название отдельным интервалам размеров частиц. В системе, общепринятой для взвешенных в атмосфере частиц, они

разделяются на три интервала. Частицы радиусом меньше 0,1 мк называются «ядрами Эйткена» или «частицами Эйткена>. Частицы радиусом от 0,1 до 1 мк называются «большими частицами», а радиусом больше 1 мк — «гигантскими частицами». Термин «частицы Эйткена» возник в результате применения счетчика ядер, предложенного Эйткеном [5]. Это устройство представляет собой камеру Вильсона, в которой вода конденсируется на частицах, содержащихся в пробе воздуха. Обычно большинство частиц имеют радиусы меньше 0,1 мк. Частицы радиусом от 0,1 до 1 ш: в основном ответственны за уменьшение видимости, вызванное фотохимическим смогом и естественной дымкой.

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ

Частицы во взвешенном состоянии никогда не бывают точно одинаковых размеров; и в атмосфере, и в космосе разброс их размеров обычно очень велик. Для получения графиков и уравнений, представляющих эти распределения, пользуются различными методами. Нужно помнить о различии между распределением размеров частиц в пробе и распределением размеров частиц в исходной совокупности частиц. Следует также проводить различие между совокупностью частиц, размеры которых лежат в ограниченных пределах, и совокупностью, у которой с одной или с обеих сторон такого предела (отличного от нуля) нет. Последний тип особенно распространен в природе.

Когда мы рассматриваем первый тип совокупностей частиц или ограниченный диапазон размеров внутри совокупностей второго типа, удобно все данные разбить на интервалы, называемые классами. Они определяются предельными размерами частиц или границами классов. Сере- Днна каждого класса размеров обозначается буквой dit где индекс i — номер класса. Число частиц в каждом классе, или частота, обозначается буквой /,, а полное число частиц — буквой п.

Удобным способом изображения данных, часто применяемым в атмосферных исследованиях, является гистограмма. Это ступенчатый график, на котором по оси абсцисс отмечены соответствующие классам интервалы, а по оси ординат — частота. Кроме частоты, на ординатах могут быть нанесены и другие характеристики частиц, например, их суммарная поверхность или вес внутри интервалов, соответствующих каждому классу.

Другой метод графического изображения данных о раз- мерах частиц, широко применяемый в промышленных разработках и гораздо реже — в атмосферных и космических исследованиях,——это интегральная кривая. Она получается при нанесении на график процента частиц, обладающих диаметром большим (или меньшим) определенной величины, в функции размера частиц. Эти кривые имеют перед гистограммами то преимущество, что устраняется деление на интервалы — классы. Их можно использовать для изображения данных, полученных при подсчетах через неравные интервалы, например при просеивании или при помощи камеры Вильсона [6]. Существует специальная графленая бумага, на которой интегральные кривые получаются в виде прямых линий, если размеры частиц распределены по нормальному или логарифмически-нормаль- ному закону. Такая бумага имеется в продаже. Интегральные кривые имеют и еще одно преимущество, состоящее в том, что по ним легко определить медианное значение диаметра. Это та точка на абсциссе, которая соответствует ординате 50%. Легко определить также квартили, соответствующие ординатам 25 и 75%. Более того, можно определить эти точки на абсциссе не только для распределения числа частиц, но и для распределения суммарных поверхностей или весов частиц.

Для распределений необычных типов часто применяются специальные методы изображения данных. Например, Юнге [7, 8] изображает распределение размеров аэрозолей в функции радиуса г как dN/dlgr, где N — число частиц в I см3, а г измеряется в мк. При этом используется логарифмический масштаб по обеим осям координат. Такое изображение имеет то преимущество, что указываются как распределение размеров частиц, так и их концентрации. Из таких графиков легко можно получить полное число

частиц AN в 1 см3 внутри интервала Algr. Использование логарифмических шкал целесообразно ввиду широкого диапазона размеров и концентраций частиц в атмосфере.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА

S『品Е/S『品Е/Существуют многочисленные статистические способы для указания преобладающего размера и разброса размеров в совокупности частиц. В их числе определение различных средних (арифметического, геометр и ческого и т. д.), стандартного отклонения и квартилей. Наиболее обычный способ указания характерного размера в наборе измерений —это среднее арифметическое или просто средняя величина. Она определяется как сумма определенного набора величин, деленная на их число в наборе. Для данных, разбитых на классы, среднее арифметическое определяется уравнением

S『品Е/

S『品Е/

% = ；£《/, (1.1) /=1

где й — число классов.

Очень удобная статистическая характеристика для указания величины разброса — стандартное отклонение, определяемое уравнением

s= ；E(4 — Z)2 厶. (1.2) _ z =1 一

Это квадратный корень из средней величины квадратов отклонений от среднего. Когда п мало, его следует заменить на и—1.

Многочисленные определения средних, отличные от среднего арифметического, полезны для различного рода сравнений. Для данных, разбитых на классы, многие из □их можно представить следующим уравнением:

-Р-Р==Гссударственнаяпубличн я библиотекаим. В.「Бе;： и некогоI г . СвердловскГссударственнаяпубличн я библиотекаим. В.「Бе;： и некогоI г . Свердловск.3.3

-Р

-Р

=

=

Гссударственнаяпубличн я библиотекаим. В.「Бе;： и некого

I г . Свердловск

Гссударственнаяпубличн я библиотекаим. В.「Бе;： и некого

I г . Свердловск

.3

.3

Так, среднее арифметическое будет в этом случае d10. Аналогично средний квадратичный диаметр, т. е. диаметр частицы, площадь поверхности которой равна среднему арифметическому из всех площадей поверхностей частиц, есть d20. Средний кубический диаметр, т. е. средний по объему или весу, есть 日汕 Диаметр частицы со средней удельной поверхностью (на единицу диаметра) есть d21, со средней удельной массой (на единицу поверхности) d32.

Среднее геометрическое dg определяется уравнением

%=(力疗丹...d?『/"・ (1.4)

Оно всегда меньше или равно d10 и различия между ними возрастают с увеличением разброса данных.

Мы уже упоминали об употреблении таких величин, как медиана и квартили. Часто пользуются также модой, которая представляет собой размер, соответствующий максимальной частоте.

Хотя статистические характеристики приведенных выше типов часто применяются в исследованиях частиц в атмосфере и космосе, они пригодны не всегда. Распределение атмосферных и космических частиц часто изучается в произвольно выбранных интервалах размеров. В этих случаях необходимую информацию можно получить путем простого нанесения на график исходных данных или нахождения линий регрессии и стандартных ошибок оценки. Методы расчета линий регрессии и стандартных ошибок оценки описаны в учебниках по математической статистике.

ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Математические выражения, описывающие распределения данных, называются функциями распределения. Одна из наиболее известных функций ——это нормальное распределение:

'т)= тй"ехр'т)= тй"ехр1 jd — ff1 jd — ff(1.5)(1.5)

'т)= тй"ехр

'т)= тй"ехр

1 jd — ff

1 jd — ff

(1.5)

(1.5)

Такое распределение симметрично относительно среднего арифметического, и мода, медиана и среднее арифме-

тическое у него тождественны. Нормальное распределение полностью определено, если заданы стандартное откло- некие и среднее.

Многие распределения размеров сильно асимметричны н могут быть представлены путем подстановки в уравнение (1.5) не диаметра, а некоторой его функции. Часто этой функцией является логарифм диаметра. В этом случае (1.5) принимает вид

/(d)=——!——exp 丄(lgd — lg&у].

Здесь dg, как обычно, — среднее геометрическое, a s« — стандартное геометрическое отклонение*.

В астрофизике и в атмосферных исследованиях особенно употребительны экспоненциальные функции в следующей

форме:

(1.7)(1.7)dN=ad

(1.7)

(1.7)

d(d)

Эта функция определяется постоянными а н с. Например, Стеффенс и Рабин [10] получили для частиц в смоге Лос-Анджелеса с=—4,5. Юнге [7, 8], нанося величину dN/dlgr в функции г для частиц в обычной атмосфере, получил для большей части исследованного интервала размеров наклон в логарифмическом масштабе порядка —3. Так как dN/dlgr = rdN/dr, то этот наклон соответствует значению с= —4. Очевидно, что уравнение (1.7) применимо лишь в ограниченном диапазоне размеров, ибо при отрицательном с величина dN/d(d)->^ при d — 0・

Распределения размеров могут иметь две или более моды. Например, распределение коагулирующих аэрозолей может быть бимодальным [11 ]. Некоторые многовершинные распределения можно представить суммой двух или более одновершинных функций. Делла-Валле, Орр и Блокер предложили обобщенное уравнение для описания бимодальных распределений размеров частиц [12].

■ В советской научной литературе этот термин малоупотреби- телен. Величина lg sg = [(lg d — 1g 爪拼广厶 представляет собой среднее квадратичное отклонение логарифма диаметров. — Прим. лерев-

20

Литература

ЛИТЕРАТУРА

1.

2.

3.

4.

5.

10.

11.

12.

Martin G., BlvtheC. E., Soc. (Eng.), 23, 6] (1924).

a t t e г s о п H. S.,八

Р

С a w о

о

Tongue Н., Trans. Ceram, d W., Trans. Faraday Soc..

32, 1084 (1936).'

airs G. L., Chem. Ind., 62, а у K. R., J. Sci. Inst., 22,…、丿.

i t к e n J., Collection of Scientific Papers, London, Cambridge Univ. Press, 1923.

374 (1943).

187 (1945).

R i c h T. A., Geofisica, 31, 60 (1955).

J u n g e С. E., i〃 Advances in Geophysics, Vol. IV, New York Academic Press, 1957.

J u n g e С. E., Air Chemistry and Radioactivity, New York, Academic Press, 1963. (Русский перевод: X. Юнге, Химический состав и радиоактивность атмосферы, М., изд-во «Мир», 1965.)

g е 1 е R. A., Evans Н. D., Ind. Eng. Chem., 43, 1317 (1951).

M u

S t

S i

e f f e n s C., RubinS., in Proceedings of the First National Air Pollution Symposium, Stanford Research Institute, Menlo Park, Calif., 1949.

п с 1 a i г D., Measurement of Particle Size and Size Distribution, in Handbook on Aerosols, U. S. Atomic Energy Commission, Washington, D. C., 1950.

Dalia Valle J. M., О г r C., Blocker H. G., Ind. Eng. Chem., 43, 1377 (1951).

Глава 〃

ТРОПОСФЕРА

ПРИРОДА ТРОПОСФЕРЫ

Тропосфера ——это самая нижняя область атмосферы, в которой температура в общем убывает с ростом высоты. Она простирается от земной поверхности до тропопаузы, т. е. до высоты, на которой температура перестает убывать н может даже начать возрастать. Для тропосферы характерно наличие ветров и турбулентности; большую часть тепла она получает от почвы, а не от прямого солнечного излучения.

Частицы в атмосфере имеют как «естественное», так и искусственное происхождение, хотя эта классификация довольно произвольна и часто их очень трудно различить. Например, в результате процессов горения в ходе человеческой деятельности в атмосферу выбрасывается огромное количество частиц. Однако то же самое происходит и при бесчисленных лесных и степных пожарах, многие из которых вызываются молнией.

ИСТОЧНИКИ ЧАСТИЦ

Морская соль

Мейсон [1 ] разделил механизмы образования аэро- золей на четыре главные группы. Первая — это конден- сацмя и сублимация паров и образование дыма как в ес- тественных, так и в искусственных процессах. Вторая — 声 химические реакции в газовых примесях в атмосфере. Третья—это механическое разрушение и рассеяние вещества над поверхностью Земли: либо в виде морской С0Ли над океаном, либо в виде различного рода пыли, преимущественно минеральной, над континентами. Четвер-

тая группа — это коагуляция мелких частиц с образованием более крупных, которые могут иметь очень сложный состав. К этому можно добавить еще и пятую группу приток частиц внеземного происхождения. Очевидно, что могут осуществляться, и осуществляются в действительности, различные комбинации этих механизмов. Например, механизмы четвертой группы могут играть роль только после того, как сработал один из прочих механизмов. Подобным же образом химические реакции (вторая группа) могут происходить между примесными газами и частицами, образовавшимися другим путем [2].

Один из наиболее важных индивидуальных типов мел- ких твердых частиц в атмосфере — это морская соль, в основном представляющая собой хлористый натри負.Эти частицы очень важны, потому что они очень многочисленны, широко распространены как над океанами, так и над континентами и играют важную роль в образовании облаков. Концентрация солевых частиц над океанами может достигать 100 частиц!см,^, но более обычна концентрация порядка 1 частиц!с^, Даже над океаном в атмосфере находится много частиц различных типов, и солевые частицы составляют лишь небольшой процент полного их числа. Это вызвано тем, что, как мы увидим ниже, ветры могут переносить континентальные аэрозоли на большие расстояния, даже через океаны. Кроме того, между частицами соли и примесными газами происходят химические реакции; имеет место также непрерывный приток внеземных частиц.

Кристаллы чистого хлористого натрия гигроскопичны л образуют капельки, когда относительная влажность превышает приблизительно 75%. И наоборот, когда относительная влажность падает ниже этого значения, солевые капельки испаряются и образуются твердые частицы. При влажности от 75 до 100% водяной пар конденсируется на капельке, содержащей растворенный хлористый натрии, или, наоборот, испаряется с ее поверхности до тех пор, пока давление пара над каплей не сравняется с парциальным давлением водяного пара в воздухе.

Большая часть хлористого натрия появляется в воздухе в результате испарения капелек морской воды при падении относительной влажности ниже 75%. В течение мно-

』ет считалось, что капельки возникают в результате ™^Ванйя брызг с гребней разбивающихся волн. Сейчас установлено, что капельки образуются в основном разрушении мириадов пузырьков воздуха, когда они постигают поверхности моря [3—6]. Большинство пу- • зырьков возникает при разбивании небольших волн, но они могут также образовываться и другими путями, например под действием дождя или снега, падающих на воду, брызги от разбивающихся волн образуются часто, но они слишком велики, чтобы долгое время оставаться в воздухе такИе частицы, вероятно, в основном ответственны за вьгсокую концентрацию соли в воздухе близ морских берегов. Вероятно, они являются причиной плотного тумана, чаСто наблюдающегося вдоль берега, когда прибой силен и с моря дует слабый бриз. Однако высокая прибрежная концентрация частиц быстро падает с увеличением расстояния в глубь суши.

Лопающиеся пузырьки образуют капельки, размеры которых лежат в двух различных диапазонах. Когда пузырек лопается, со дна его выбрасывается небольшая струйка. Эта струйка быстро распадается на капельки, размеры которых почти одинаковы и равны примерно V^ размера пузырька. Таким образом, распределение размеров этих капелек в основном определяется распределением размеров пузырьков. Мельчайшие пузырьки, обра- зуемые небольшими разбивающимися волнами, обычно яме- ют диаметр порядка 100 加及,а соответствующие капельки —— порядка 10 %к. Так как концентрация соли в морской воде обычно равна 3,3—3,6% (по весу), то испаряющиеся капельки создают частицы диаметром около

y/З . 10。2,5 儿仁

\ 2,1 丿

Большинство появляющихся в воздухе солевых частиц не столь велико: они относятся к другому интервалу размеров. Непосредственно перед разрушением пузырька воз- Дух в пузырьке отделен от атмосферы лишь тонкой пленкой. Ее разрушение приводит к образованию большого имела очень маленьких капелек. Наблюдения Мейсона 【7] показали, что каждый лопающийся пузырек образует 0T 100 до 200 маленьких капелек, которые, испаряясь.

образуют частицы с максимальным диаметром около 0,3 мк.

Исходя из расчетов Эриксона [8], который показал, что в стационарных условиях 0,8% поверхности моря должно быть покрыто барашками, Юнге [9] оценил по порядку величины скорость образования солевых частиц. Она оказалась равной 〜1 частиц!сл^-сек. Юнге полагает также, что приемлемая оценка среднего времени существо- вания частиц солевых аэрозолей над океаном составляет от 1 до 3 суток.

Модальный диаметр для распределения объема солевых частиц над океаном в функции логарифма диаметра меняется от 4 до 20 jwk и в основном зависит от скорости ветра. Модальный диаметр для распределения числа частиц в функции логарифма диаметра равен нескольким десятым микрона. Различие между этими двумя модальными диаметрами показывает, что распределение размеров частиц очень широко [3, 10].

Частицы морской соли представляют собой сложные смеси веществ, содержащихся в растворенном и взвешенном состоянии в морской воде. Основной составляющей является, конечно, хлористый натрий, но в небольших количествах имеются и другие неорганические вещества, в частности сульфаты и карбонаты калия, кальция и магния. Органические вещества в морской воде находятся как в растворе, так и в суспензии. Более того, океан, вероятно, покрыт слоем нерастворимых органических веществ, толщиной обычно всего лишь в несколько молекул. Это органическое вещество в какой-то мере проникает в солевые частицы.

Нейман, Фонзелиус и Вальман [11] исследовали содержание органического углерода и азота в пробах дождя и снега из разных мест Швеции. Они считали органическим тот азот, который отгонялся в виде аммиака в обычном процессе Кьелдаля, за вычетом свободного аммиака, определяемого путем щелочной возгонки. Полное количество азота складывалось из азота в свободном аммиаке и органического азота. В первой серии измерений исследовалось содержание органических веществ в дожде и снеге, собранном на девяти шведских станциях за четыре месяца. Географическое распределение органического углерода оказалось

равномерным по всему району и в среднем ЯП* около 160 мг/м2 за месяц. Во второй серии 宓 изучались пробы дождя и снега для определе- ^^дошения содержания органического углерода к пол- ном^ содержанию азота. Это отношение также оказалось соббршенио одинаковым независимо от места взятия пробы. СвободннА аммиак составлял от 25 до 100% полного коли- УйствЬ； кммиака, что, возможно, указывает на различную степени разложения органических веществ в пробах. Этмрезультаты означают, что существует весьма обширный исгоодйк атмосферного органического углерода. Нейман и др；. зйоДРЗрили, что этим источником является упомянута^, рыше слой органического вещества на поверхности мор^. Они предположили также, что газообразный аммиак появляется в воздухе из моря. Содержащие азот органиче- скйё' вещества сначала попадают в воздух в капельках, образуемых лопающимися пузырьками. Затем вода испаряется, и органические вещества распадаются, освобождая газообразный аммиак.

Частицы морской соли, как правило, столь малы, что прдрйХэют далеко в глубь суши [12, ⑶.Имеющиеся пока ограйййейные данные показывают, что между концентрациями ерлевых частиц над океаном и в полутора тысячах километров от берега различия очень малы. Это значит, что вымывание таких частиц дождями очень невелико. Этого можно было ожидать из теоретических соображений н на основании лабораторных экспериментов по вымыванию оиень мелких частиц каплями.

Концентрация морской соли в воздухе над океанами уменьшается с увеличением высоты, но распределение пс размерам практически остается неизменным. Следовательно, прбцесс сноса частиц в основном не зависит от их размеров. Осаждение частиц не может быть основным процессом, • приводящим к их удалению, либо же этот процесс уравновешивается другими факторами. В против- ном случае произошла бы селекция по размерам. Частицы, вероятно, удаляются из атмосферы в результате процес- Аналогичного тому, который имеет место для мелких частиц радиоактивных выпадений. Он будет рассмотрен позднее. Как уже было сказано, воздействие дождевых капель не может быть существенным ввиду малого размера

вышины которых находятся выше уровня замер- Ш * Тш<им образом, очень существенно знать распре- частиц над сушей и над океанами. Тоба [17] этой проблемы,вышины которых находятся выше уровня замер- Ш * Тш<им образом, очень существенно знать распре- частиц над сушей и над океанами. Тоба [17] этой проблемы,данные целого ряда опубликованныхданные целого ряда опубликованных

вышины которых находятся выше уровня замер- Ш * Тш<им образом, очень существенно знать распре- частиц над сушей и над океанами. Тоба [17] этой проблемы,

вышины которых находятся выше уровня замер- Ш * Тш<им образом, очень существенно знать распре- частиц над сушей и над океанами. Тоба [17] этой проблемы,

данные целого ряда опубликованных

данные целого ряда опубликованных

солевых частиц, если только эти частицы не принимают участия в образовании облаков или не диффундируют в капельки, составляющие облака.

Ионы натрия и хлора, связанные с континентальными аэрозолями, не обязательно имеют морское присхождение. Есть веские доказательства того, что большая часть хлора, связанного с такими аэрозолями, образуется при раз лич- ных промышленных процессах. Например, Юнге [14—16] собирал частицы в диапазонах «больших» и «гигантских» размеров при помощи каскадного импактора и анализировал пробы на содержание №н：, Na+, Mg++, SO™, СГ, NO" и NO；. Водорастворимая фракция крупных частиц, собранных в окрестностях Франкфурта, состояла в основном из NH： и SOy, но в гигантских частицах аммиака было найдено мало. Ионы хлора были найдены в частицах, относящихся к обоим диапазонам размеров. Когда в окрестности Франкфурта приходил свежий морской воздух, концентрация С1~ в крупных частицах уменьшалась, а в гигантских увеличивалась.

Юнге [9] позднее получил подобные же результаты на восточном берегу США, практически в сельской местности. Вновь NH； и SOy были главными ионами в крупных частицах, и их отношение соответствовало смеси (NH4)2SO4 и (NH4)HSO4. Ионы Na+ и СГ были найдены в гигантских частицах, но едва обнаруживались в более мелких «больших» частицах, когда ветер дул с океана. Сходные результаты были получены 'в Майами (Флорида) и на Гавайских о-вах.

Эти результаты показывают, что солевая составляющая в континентальных аэрозолях в основном связана с гигантскими частицами. Они согласуются с упомянутым выше фактом, что модальный диаметр для распределения объема частиц в функции логарифма диаметра для океанических солевых частиц находится в пределах от 4 до 20 мк.

Гигантские частицы морской соли представляют особый интерес, так как они играют важную роль в образовании дождя в незамерзающих облаках, о чем '山 будем говорить позднее. Более того, они, по-видимому. играют роль и в образовании дождя в облаках средних

делмше таких предпринял теоретическое исследование проанализировав.

Р'^^к уже говорилось, распределение размеров частиц морской соли над океаном, в том числе и гигантских частиц, почти не меняется с высотой. Более того, макси- мум концентрации иногда находится на высоте порядка 500 м над поверхностью моря, особенно когда скорость

ветра мала. Тоба объясняет уменьшение концентрации с выссхгой комбинированным действием осаждения частиц, турбулентной диффузии и конвекции. Максимум концентрации он объясняет наличием над поверхностью океана пограничного слоя толщиной в несколько метров, в котором относительная влажность быстро меняется с высотой (Эриксон [8] предположил, что этот максимум образуется сдвигом ветра). “

Тоба использовал данные Байерса и др. [18] и Юнге и Густавсона [19] по вертикальному распределению гигантских частиц морской соли над континентами. На протяжении первых сотен метров, по-видимому, происходит увеличение концентрации с высотой, а выше она остается почти постоянной. Байерс н др. предположили, что низкая концентрация близ почвы вызвана выпадением частиц на деревья и другую растительность. Тоба проанализировал этот тип распределения теоретически. Он вывел уравнения, связывающие отношение максимальной и приземной концентрации с эффективностью столкновений с наземными препятствиями.

Лесные пожары, горные породы и почва

Другой важный источник тропосферных частиц —— зто степные, кустарниковые и лесные пожары. Мейсон [6] полагает, что образующие облака ядра конденсации примерно на 1/10 состоят из морской соли, а остальные 9/10—— 3To ядра смешанного состава и продукты естественных и вызванных человеком пожаров. Даже при маленьком пожаре в атмосферу выбрасывается огромное количество мелких частиц. Оценено, что при среднем степном пожаре,

охватывающем площадь более 4 тыс. ж2, образуется примерно 2-1022 мелких частиц [20]. Состав этих частиц различен ——от неорганической золы до сложных дегтей и смол. Если частицы равномерно распределить в столбе воздуха сечением 4 тыс. м2 и высотой 3 км, то концентрация их будет равна примерно 2-109 частиц!см3. Концентрация ядер конденсации в вентилируемой кухне с большой газовой плитой [21 ] превышает 5-105 ядер/см3, в то время как наружный воздух содержит только 25 000 ядер/см3. Конечно, большинство этих частиц очень мало, радиус их меньше 0,1 附к; они попадают, таким образом, в диапазон размеров частиц Эйткена.

Дым от лесных пожаров может перемещаться на огромные расстояния, что хорошо видно на примере «голубого Солнца», наблюдавшегося в Эдинбурге (Шотландия) в сентябре 1950 г. [22, 231. В течение нескольких часов подряд Солнце казалось глубокого индигового цвета. Метеорологические соображения говорят о том, что такой вид Солнца был результатом рассеяния света дымом от лесных пожаров в западной Канаде. Спектроскопически свет Солнца изучался в это время Королевской обсерваторией в Эдинбурге. Полученные результаты согласуются с теорией лесного пожара. Эффективный диаметр частиц, рассеивающих свет, был равен примерно 1 мк, хотя разброс размеров должен был быть довольно широким. Ночью луна также была голубой. Может быть, именно таково происхождение английского идиоматического выражения «once in а blue moon».

Хотя при процессах горения образуется колоссальное количество частиц в эйткеновском диапазоне размеров, возникают также и более крупные частицы: «большие» — радиусом от 0,1 до 1 мк и «гигантские» — больше 1 мк. Большая часть их (по числу) имеет диаметр меньше 1 мк.

Минеральные и почвенные частицы составляют важную часть аэрозольного балласта атмосферы. Пылевые и песчаные бури, подобные тем, которые наблюдаются в «пылевых котловинах» и в пустынях, подтверждают этот факт. Лишь при одном выпадении в 1901 г., согласно

Таблица /

••.川"£《'"''。„«левого вещества из смога в Лос Аиджелесе, собранного n…"… П при помощи электрофильтра

，Sf*i—

J“《i 】，

.产T，丁 •；：

Я"j 力："一

7「一-

''；-•-Водорастворимая

.•фракция;-^15 %

полного коли-

М血屈毎皿■* и. Дру--чества

гие иеорганичес- кие вещества,

~ 60 % полного нерастворимая в

количестваводе фракция；

〜45% полного

.•…！количества

:'宀'.J..

：才工：.

Органические соединения, растворима .'Оргаацческих растворителях;〜10%. ^®*01™3» пыльца, углерод и высоко г -产讐у органическое вещество;~ 15

Элементы, отождествленные При помощи эмиссионного спектографа

МногоКремний

(10% н более)Алюминий

Железо

МалоТнтан

(1—9%)Кальций

Магний Барий 1 %Натрий

Калий

Очень малоСвинец

(0,1—0,9%)Цинк

Ванадий 0,1 %Марганец

Никель

Олово

СледыМедь

(0,01—0,1 %)Цирконий

Стронций

0,001—0,01 %Бор

Хром

0,001 %Висмут

Кобальт

Вещества, отождеств ленные химическим путем (в%)

SiO2Igg

Железо н алюминий7,8

Соли кальция5,2

(в пересчете на Са)

Фториды (в пересчетенаF)0,0。

Сульфаты (в пересчетена2,5

Н2s°。)°

Аммиак'《и

Нитраты4,8

(в пересчете на HNO3)

Хлориды°，26

(в пересчете на NaCl)

НитритыXT?

Сульфиты„

Соли натрия

(в пересчете на NaCI)

ie в f В основном углеводороды； кроме того, небольшие количества органических кислот (0,27 %) и альдегидов ЮЛИ-с \

心Перекиси (0,04 %) (в пересчете на 乩0”

^^^户*^^1 駅pгa""""К11eветеетва (раз-

оценке, на африканские пустыни и на Европу осело 2 млн.巾 пыли [24]. Около 10 млн. m красной пыли из северо-западной Африки выпало на территории Англии в 1903 г. [25]. Другое, весьма живописное проявление действия атмосферной пыли и песка — это красивые и странные фигуры выветривания, вырезанные в скалах носящимися в воз- духе частицами. Они часто встречаются в пустынных областях. Частицы, образующиеся при истирании горных пород, обычно довольно велики; как правило, их диаметры превышают 1 мк.

Даже легкий бриз может поднять минеральные частицы с поверхности. Вероятно, они осаждаются из атмосферы и поднимаются в.нее вновь много раз, прежде чем их смоет в океан и они станут частью океанических отложений. В табл. 1 показан вклад минеральных частиц в аэрозоль- ный балласт смога в Лос-Анджелесе. В таблице приведены результаты анализа взвешенных в воздухе частиц, собранных при помощи электрофильтра. Примерно 45% собранного вещества (по массе) состоит из нерастворимых в воде веществ.

Вулканы

Вулканы, по крайней мере иногда, являются важным источником мелких частиц в атмосфере. Одно из самых знаменитых извержений вулканов — это извержение Кракатау в 1883 г. в Индонезии. Образовавшееся при взрыве облако было высотой 30 км; в г. Батавия, удаленном от места взрыва на 150 км, день превратился в ночь. Недавно, в 1963 г., серия мощных взрывов произошла в вулкане Гунунг-Агунг на о. Бали. До этого вулкан долгое время бездействовал. Как и при извержении Кракатау, при взрывах Гунунг-Агунга частицы были выброшены как в тропосферу, так и в стратосферу: этим, по-видимому, и объясняется появление необычных зорь по всему миру. Рис. 1 — это черно-белый отпечаток с цветной пленки, запечатлевшей аномальную зарю, вызванную частицами в верхней атмосфере. Снимок получен в Боулдере (Колорадо, США) в октябре 1964 г. На оригинале хорошо видна полоска, пересекающая заревой сегмент, хотя на черно-белом отпечатке она неразличима. Возможно, это тень одной из вершин Скалистых гор. Объем тонкого пепла, выброшенного

в атмМффУ мощным вулканическим извержением, оце- ним—»*75 млрд, м3 [26].

М. МЛвел и А. Мейнел [27] исследовали сумеречное евечрвирс^вызванное находящимся в воздухе пеплом из вуляйИЙ^Тун)严.ргунг, подобное изображенному на рис к^По крайней мере в один из вечеров они отметили

Рис. 1. Скалистые горы близ Боулдера, штат Колорадо, и облака, видные на фоне лучей заходящего Солнца, рассеянных частицами, взвешенными высоко в атмосфере.

На оригинальном цветном снимке фон имеет оранжево-красный цвет. Частицы, возможно, были выброшены в атмосферу при извержении вулкана на о. Бали в 1963 г.

двойное свечение. Одно, золотистого цвета, наблюдалось на горизонте, другое — слабое бледно-лиловое свечение с четкой границей — было видно на фоне темнеющего неба. Было определено время прохождения земной тени 44^63 различные слои земной атмосферы. Затем по этому времени была найдена высота. Оказалось, что в этот ве- чер (5 октября 1963 г.) высота границы яркого свечения бьи^ равна 22,3 км, а слабого 52,6 км.

Эти авторы указывают, что вид и яркость сумеречного цветения менялись ото дня ко дню. Они полагают, что изу-

ченне вида свечения н определения его высот за большие промежутки времени и в разных местах могут быть полезны для исследования атмосферной циркуляции.

Значительно менее мощные извержения, чем упомянутые выше, могут также увеличить содержание частиц в атмосфере. Это, вероятно, особенно справедливо для

Рис. 2. Боковое извержение вулкана Килауэа (I960 г.), разр\ шившее деревню Капохо на о. Гавайи.

вулканов гавайского и исландского (рифтового) типов. Некогда в прошлом при таких извержениях изливались огромные количества лавы, подобной лавам, слагающим плато в Айдахо и Колумбии. При этих извержениях должно было выбрасываться также гигантское количество «дыма». Относительно небольшое извержение Килауэа на Гавайских о-вах в 1960 г. вызвало мглу, которую пилоты рейсовых самолетов наблюдали вплоть до о-ва Уэйк, т. е. более чем за 3000 км от места извержения (рис. 2).

< В наших знаниях о природе частиц, образуемых вулканами, существуют большие пробелы. Некоторые частн- 3 — это всего лишь мелкие брызги лавы. Они могут иметь фс^му шариков, гантелей, грушеобразных тел или нитей («дедосы Пеле»). Многие из них похожи на частицы радио- ац^Квных выпадений, которые будут описаны позднее. По- дйе частицы образуются при определенных типах нзвер- ЖёМий, вероятно, в результате выделения газа из еще не застывшей, расплавленной частицы. Если лава базальт。- 亜負，частицы могут быть ферромагнитными. Другие qac- тицы, особенно возникающие при взрывных извержениях, образуются при разрушении стенок кратера. Частицы, собранные в стратосфере после извержения 1963 г. на о. Бали, состояли в основном из угловатых обломков н мз относительно небольшого числа маленьких шариков.

Однако о природе очень маленьких частиц, входящих в состав огромных облаков дыма, выделяемого во время и после многих извержений, почти ничего неизвестно. Окита [28] обнаружил аэрозоли в выделениях фумарол в двух крдтерах вулкана Токати в Японии и определил их распределение по размерам. Большинство аэрозольных частиц нв кратера Таишо оказалось частицами серы, по-видимому, образующейся при реакции

SO2 + 2H2s — 3S 4- 2H2O. (2.1)

Эти частицы представляли собой переохлажденные капельки, которые кристаллизовались на стеклянной пластинке примерно за сутки. Вулканический газ из фумарол в кратере Шова содержал большое число гигроскопических частиц, предположительно отождествленных с серной кислотой. Однако частицы в газе из фумарол не обязательно должны быть частицами вулканического дыма.

В течение 1965 г. из кратера Халемаумау, главного жерла вулкана Килауэа на о. Гавайи, очень интенсивно выделялся газ. Для Халемаумау, если не считать времени извержений, такое поведение необычно и означает, что магма была очень близка к поверхности. Дым сильно пах сернистым ангидридом. Вследствие рассеяния света дым в кратере был голубоватым, но по мере того, как дым поднимался, он становился белым. По-видимому, частицы были 2—1275

гигроскопичны и по мере подъема поглощали водяной пар.

31 августа и 1 сентября 1965 г. Кейдл собрал пробы частиц дыма, пользуясь как фильтром из полистироловых волокон субмикронного диаметра, так и многокаскадным импактором фирмы «Юнико». Вид Халемаумау 1 сентября показан на рис. 3. Все частицы, собранные импактором, задерживались на третьем и четвертом каскадах. Здесь собираются частицы с медианным кубическим диаметром около 5 и 3 ^ соответственно (в предположении, что плотность частиц равна 1 г/см3). Вдали от кратера на пластинках импактора частиц почти не было.

При исследовании под микроскопом образцов, собранных импактором, обнаружилось, что они представляют собой агломераты капелек, которые остаются жидкими при относительной влажности 30%. Было установлено, что они состоят из пересыщенного водного раствора кристаллических веществ. Химические анализы показали, что растворенное вещество содержало NHJ и SO&~". Оно имело желтоватый цвет, но не было серой, поскольку оно было растворимо вводе и нерастворимо в сероуглероде. Возможно, в нем было некоторое количество Fef. Проверка на присутствие С1" при помощи подкисленного водного раствора азотнокислого серебра дала отрицательный результат. Капельки были очень гигроскопичны, на что указывал их рост, когда пластинки импактора помещались во «влажную камеру» на предметном столике микроскопа.

Кристаллы, выпаренные из раствора, собранного с пластин импактора, были изучены также под электронным микроскопом. Дифракционные картины были получены примерно для 20 кристаллов, и все они соответствовали сульфату аммония. Частиц хлористого натрия или серы найдено не было.

Материал, собранный на волокнистом фильтре, был исследован на электронном микроскопе по методу реплики. Многие наблюдавшиеся частицы имели диаметр в диапазоне 1—10 жк, хотя было также большое число и более мелких частиц.

Ранее в дыме из Килауэа аммиак не был обнаружен, хотя в других вулканах его находили. Хотя образцы хра- нились с большой тщательностью, не исключена возм°ж-

m。-

6我R1 一

У卉*'

:八 Р н с. 3. Кратер Халемаумау 1 сентября 1965 г.ТК ,。一 вид с обрыва Увекахуна; 6 — внутренний вид.

нМдд叫УРН・，，碍I 4m'一нМдд叫УРН・，，碍I 4m'一

нМдд叫УРН・

，，碍I 4m'一

нМдд叫УРН・

，，碍I 4m'一

ность, что они были загрязнены. Чтобы установить, действительно ли сульфат аммония является важной составной частью дыма извергающихся вулканов, необходимы дальнейшие исследования, особенно изучение дыма непосредственно над расплавленной лавой. Если это действительно так, то при вулканических извержениях время от времени в атмосферу должно выделяться огромное количество сульфата аммония.

Оптические явления, вызванные взвешенной в воздухе вулканической пылью, были описаны ван де X юл стом [231. Кроме ярких зорь, частицы могут вызывать так называемые «кольца епископа» — красноватые ореолы вокруг Солнца радиусом около 30°. Количественное изучение этого явления показывает, что ответственные за него частицы имеют размеры в основном от 0,1 до 1 мк, т. е. относятся к «большим» частицам по классификации Юнге.

Часто высказывалось предположение, что взвешенная в атмосфере вулканическая пыль может в значительной мере влиять на температуру земной поверхности. Такое предположение высказал в мае 1784 г. Бенджамин Франклин, и, возможно, он был не первым [29]. Ожидаемым результатом является охлаждение поверхности вследствие действия механизма, который можно назвать обратным парниковым эффектом. Пылевые частицы, по размерам сравнимые с длиной волны видимого света и очень сильно рассеивающие этот свет, уменьшают количество лучистой энергии, достигающей поверхности Земли, которая в противном случае поглотилась бы и превратилась в тепло. С другой стороны, частицы оказывают относительно слабое влияние на инфракрасное излучение, длина волны которого велика по сравнению с размерами пылевых частиц. Так как большая часть электромагнитного излучения земной поверхности приходится на инфракрасную область, пылевые частицы не препятствуют потерям тепла в виде излучения.

Хемфрис [29] досконально исследовал вопрос о влиянии вулканизма на климат Земли и изменении его при помощи описанного выше механизма. Он исходил как из тео

рии, так и из имевшихся в его распоряжении данных о вулканических извержениях и пришел к выводу, что крупные извержения могут понизить температуру на большей части

на 1℃ и более. Даже изменение на 1° С ф^ практическое значение, ибо этого достаточно <г изотерм на земной поверхности на 260 км, injyw изменения широтного положения районов, произрастают определенные сельскохозяйствен-

Метеорная пыль

'исследователи интересовались влиянием метеор- НД дули на режим земной атмосферы. Большая часть ш^ццых частиц субмикронного размера испаряется и окм<ЫЯР$ся в атмосфере Земли, возможно образуя ядра Э1й^а« состоящие из окислов и силикатов. Более круп- нь^^йя могут лишь частично плавиться, разбрасывая кад^льки, расплавленного вещества.

„^личество внеземного вещества, которое Земля или зев^а^ атмосфера получает от метеорных тел, нельзя tq^(., ценить по результатам исследований метеоров и ме^^Ов, хотя бы потому, что размеры мельчайших ме- теор哩修 тел, попадающих в атмосферу, установить чрез- вь^礴吩 трудно. Петерсон [30, 311 собрал и исследовал вещества из океанических отложений и из атмос- фе^加 Атмосферные пробы были получены путем фильтро- вад^, больших объемов воздуха, и собранные частицы были Подвергнуты анализу на содержание никеля. Сбор проб проводился на вершинах Мауна-Лоа и Халеакала на Гавайских о-вах, в местах, где в атмосфере почти нет час- тиц зешюго происхождения. Никель редко встречается 我券吃й пыли, поэтому предполагалось, что весь никель, 摩ншдй на фильтрах, имеет метеорное происхождениях Базальт, из которого состоят упомянутые горы, со- WiRB； никеля всего лишь несколько сотен частей на мил- ^ЩЩ9^о лсе-таки были предприняты меры предосторож- чтобы избежать загрязнения из этого источника.

1Ф°бах из океанских отложений велись поиски ферро- шариков, которые, по-видимому, образуются при ?оверхностн метеоритов при прохожде- в器I聲11 зе吁юй атмосферы. Исходя из наблюдений пыли, 而 ПРЙ извержении Кракатау, Петерсон предпо- 与斗脈侬1 метеорного происхождения оседают 吟题на поверхность Земли примерно за два года,

и оценил, что масса Земли увеличивается за счет этих частиц на 1,4* Ю7/п в год. Интересно, что время пребывания частиц в атмосфере (2 года) хорошо согласуется с оценками этой величины для радиоактивных выпадений из стратосферы.

Хотя упомянутое выше количество метеорных частиц выглядит внушительно, масса Земли увеличивается всего на 4 • 10-6% за 1 млрд. лет. Ниже мы обсудим многочисленные оценки скорости притока внеземного вещества на Землю.

Росинский и Сноу [32] рассчитали распределение по размерам частиц, образующихся при конденсации паров, которые возникают при вторжении метеорных тел в земную атмосферу. Оказалось, что диаметры частиц приблизительно пропорциональны размеру метеорного тела и, как правило, меньше 100 А. Расчетные медианные кубические диаметры частиц через 1 мин после испарения находятся в пределах 4,5——80 А- Установлено, что во время метеорных потоков средняя концентрация частиц, возникших путем конденсации, выше, чем соответствующая концентрация, обусловленная стационарным притоком спорадического метеорного вещества. Росинский и Пьеррар [33] предположили, что на таких частицах адсорбируется вода и окислы азота и что в области D ионосферы адсорбированные окислы азота ионизованы.

Вещества биологического происхождения

Другой важной составляющей атмосферы являются ве- щества биологического происхождения. Особое их значение связано с их биологической активностью. Очевидно, что в воздухе содержится несметное множество живых существ, от вирусов до крупных птиц. Большинство биологических частиц имеют диаметры больше 1 мк. Это верно даже для вирусов, индивидуальные кристаллы которых могут быть очень малы, но которые в атмосфере обычно присутствуют в виде слипшихся комков.

Частицы таких аэрозолей часто перемещаются на огромные расстояния [34]. Например, споры грибов были найдены над Карибским морем в 1000 км от ближайшего возможного источника; пыльца была собрана в 2500 км от

места ее вероятного происхождения. Морские бактерии были обнаружены на суше на расстоянии 130 км от побережья, что само по себе удивительно ввиду низкой концентрации таких бактерий над поверхностью моря (-500 см-3). Предполагают, что такие бактерии попадают в атмосферу в капельках, образующихся при разрушении пузырьков.

Вещество биологического происхождения найдено также на очень больших высотах. Споры целого ряда плесневых грибков были захвачены ловушкой, выброшенной с воздушного шара «Эксплорер-2» на высоте 21,75 км и закрывшейся на высоте 10,8 км.

Биологическое вещество иногда используется как индикатор движения воздушных масс. С этой точки зрения интересно, что в атмосфере часто наблюдается стратификация биологического вещества. Это почти наверняка происходит из-за того, что воздушные массы поднимаются из ниж* ней тропосферы в области, где наблюдается сдвиг ветра.

Уместно процитировать следующее место из книги Чарлза Дарвина «Путешествие на корабле ,,Бигль4<» [36]:

«Обыкновенно воздух здесь туманный, что вызывается падением тончайшей пыли, которая, как оказалось, несколько попортила наши астрономические инструменты. Утром накануне нашей остановки в Порто-Прайе я собрал небольшое количество этой тонкой буроватой пыли, которая, по-видимому, осела на ткани флюгера, укрепленного на верхушке мачты. Мистер Ляйелль также дал мне четыре пакета с пылью, осевшей на корабле за несколько сот миль к северу от этих островов. Профессор Эренберг находит, что эта пыль состоит главным образом из инфузорий с кремневыми панцирями и из кремневых частей растительной ткани. В пяти пакетиках, которые я ему послал, он нашел не менее шестидесяти семи различных органических форм. Инфузории, за исключением двух морских видов, оказались все обитателями пресных вод. Я нашел не менее пятнадцати различных описаний пыли, осевшей на кораблях, плававших далеко от берегов в Атлантическом океане. Судя по направлению ветра во время ее падения и по тому факту, что она всегда падает именно в те месяцы, когда гарматан, как известно, поднимает целые облака пыли высоко в верхние слои атмосферы, можно сказать с уверенностью, что вся эта пыль приносится из

Африки. Странно, однако, что профессор Эренберг, которому известны многие виды африканских инфузорий, не нашел ни одного из них в пыли, посланной ему мною; с другой стороны, он нашел в ней два вида, которые, сколько ему было до сих пор известно, живут исключительно в Южной Америке. Пыль эта падает в таком количестве, что грязнит все на корабле и наносит вред глазам; иногда она создает до того непроницаемый мрак, что корабли не раз садились на мель. Нередко случалось, что она садилась на корабли, находившиеся за несколько сот и даже более чем за 1000 миль от африканских берегов, а также в таких местах, которые удалены друг от друга на 1600 миль в долготном направлении. В пыли, собранной на корабле за триста миль от берега, я, к моему удивлению, нашел частицы камня величиной в одну тысячную долю квадратного дюйма, перемешанные с более тонким веществом. После этого нечего удивляться распространению воздухом гораздо более легких и мелких спор тайнобрачных растений».

Загрязнение воздуха

Загрязнение воздуха можно разделить на два главных типа, хотя это деление довольно искусственно. Первый, широко распространенный тип загрязнения воздуха, наблюдающийся в атмосфере многих крупных городов, обычно называется смог (рис. 4). Термин «смог» — это комбинация английских слов smoke (дым) и fog (туман). Первоначальное применение его к загрязненным атмосферам таких городов, как Лондон и Питтсбург, было вполне оправдано. В воздухе городов, промышленные предприятия которых используют в качестве топлива уголь, вследствие конденсации частиц сажи образуется мгла, часто превращающая день в ночь. Сейчас термин《смог》применяется столь же часто, хотя и не столь обоснованно, к так называемому фотохимическому смогу. Этот тип загрязнения воздуха в городах многими своими свойствами обязан фотохимическим реакциям с участием углеводородов, прочих органических веществ, окислов азота и атмосферного кислорода.

Другой тип загрязнения ——это индустриальное загрязнение воздуха, имеющее единственный или почти

единственный источник ——отдельный завод или иное промышленное предприятие. Очевидно, что такое деление 'довольно искусственно. Например, загрязнение, создаваемое заводом, может вносить свой вклад в городской смог.

Третий тип загрязнения воздуха (не входящий в приведенную выше классификацию) — это радиоактивные выпадения. Однако этот тип загрязнения —— единственный в своем роде, и мы его рассмотрим в отдельной главе.

Рис. 4. Смог над Денвером, штат Колорадо.

• Фотохимический смог придает воздуху гораздо более мглистый вид, чем смог, получающийся из дыма. Он также гораздо сильнее раздражает глаза и вызывает весьма характерное повреждение растительности, часто называемое «серебрением». Особые свойства фотохимического смога были открыты благодаря наблюдению, что в некоторых городах на западе США в периоды смога резиновые изделия покрываются трещинами. Как заметили Бартель и Темпл [37], вид этих трещин характерен . для резины, подвергшейся действию озона в лаборатории. Они провели ана-

лизы городского воздуха на содержание озона, используя метод, основанный на окислении иодидов до иода. Оказалось, что воздух этих городов содержит гораздо большие концентрации озона, чем обычная незагрязненная атмосфера средних широт. Тот факт, что большая часть окисляющего вещества в смоге представляет собой озон, был установлен путем адсорбирования лос-анджелесского смога на силикагель при температуре 90° К и последующего спектроскопического исследования газов, десорбирующихся при температуре 195° К [38].

Хаген-Смит, Брэдли и Фокс [39] в 1953 г. нашли, что при облучении солнечным светом смесей определенных углеводородов, двуокиси азота и воздуха в пропорциях, существующих в смоге, образуется озон в концентрациях, сравнимых с концентрациями в фотохимическом смоге. Сейчас известно, что такие фотохимические реакции ответственны за многие неприятные свойства смога в целом ряде городов (рис. 5). Итак, для фотохимического смога характерно присутствие озона. За последние годы относительно высокие концентрации озона были найдены во многих местах не только на западе США. Сейчас стало понятно, что фотохимический смог — очень распространенное явление. Действительно, он обнаружен в городах, в которых долгое время отмечался только смог, вызванный сажей.

Большим шагом вперед в отношении контроля над фотохимическим смогом было выяснение того факта, что главным источником углеводородов и важным источником окис- лов азота в атмосфере Лос-Анджелеса являются выхлопные газы автомобилей [40]. Помимо углеводородов в фотохимии смога этого типа несомненно также играют роль и другие органические газы, такие, как различные альдегиды и кислоты. Они выбрасываются в атмосферу не только автомобилями, но также почти при любом горении органических веществ, в том числе при сжигании мусора, при сгорании газа, жидкого топлива и угля. Все процессы горения создают также и окислы азота, в основном путем связывания атмосферного азота. Для образования фотохимического смога важны такие окислы азота, как окись NO и двуокиси NO2.

Вещества, здгря^вдющие воздух, являются важным

источником малых составляющих атмосферы, в том числе и частиц. Тем не менее обычно они проходят незамеченными, и на них обращают внимание лишь вблизи их источника или тогда, когда они накапливаются. Атмосфер.

Рис. 5. Аппарат для исследования реакций с участием атомарного кислорода, происходящих в фотохимическом смоге н в обычной атмосфере (Национальный центр атмосферных исследований, Боулдер, штат Колорадо).

Атомарный азот рекомбинирует н создает послесвечение Льюиса— Релея. На следующем этапе происходит титрование атомарного азота окисью азота и образуется атомарный кислород.

ные процессы обычно весьма действенно рассеивают примеси, Однако наличие атмосферной инверсии благоприятствует накоплению загрязняющих веществ. Обычно темпе-

ратура уменьшается с высотой вплоть до тропопаузы, но иногда на высоте нескольких сотен или тысяч метров температура внезапно растет, а при дальнейшем увеличении высоты этот рост сменяется более обычным падением температуры. Подобное местное увеличение температуры называется инверсией. Так как через область инверсии почти не происходит перемешивания воздуха, она действует подобно крышке, накрывающей данную область. Если город лежит в образованной рельефом местности котловине, хотя бы даже частично открытой, инверсия в этой котловине создает для загрязняющих веществ ловушку. Классическим примером является округ Лос-Анджелес в Калифорнии. Котловина с трех сторон окружена горами, а с четвертой стороны, с океана, дует слабый бриз.

Для фотохимических реакций требуется поглощение света одним или более реагентом; при поглощении должны происходить ионизация, диссоциация или химическая активация первичных фотохимических реагентов. В фотохимическом смоге некоторые вещества поглощают солнечное излучение тех длин волн, которые доходят до земной поверхности. Среди этих веществ, вероятно, самым важным является двуокись азота. Она подвергается фотохимическому разложению по реакции

NO2 + Av — NO + O. (2.2)

Большая часть атомарного кислорода, образующегося в реакции (2.2), реагирует с атмосферным молекулярным кислородом О? образуя озон:

О +。2 + М 一 О? + М, (2.3) где М — любой третий атом или молекула (преимущественно это молекулярный кислород или азот воздуха). Небольшая часть атомарного кислорода может реагировать с различными органическими веществами и образовывать свободные радикалы ——осколки соединений, обладающие очень высокой реакционной способностью и обычно короткоживущие:

RH + O — R+OH. (2.4)

Озон, образующийся в реакции (2.3), будет быстро

реагировать с окисью азота, получающейся в процессе (2.2):

NO + О3 -^^ NO2 +。2・ (2.5)

Если (2.2), (2.3) и (2.5) — единственные реакции, происходящие в смоге, то достигается равновесное содержание ©зона, равное примерно трем частям озона на сто миллионов частей воздуха (по объему). Эта концентрация сравнима с той, которая обычно имеется в незагрязненной атмосфере в средних широтах, тогда как фотохимический смог обычно содержит от 15 до 100 частей озона на 108 частей воздуха.

Возможны по меньшей мере два объяснения повышенной концентрации озона. Одно объяснение состоит в том, что в смоге окись азота исчезает в результате реакции, отличной от (2.5). Примечательно, что большая часть окислов азота, попадающих в атмосферу при различных процессах горения, представляет собой окись азота NO. В периоды фотохимического смога основная доля окислов азота в ночном воздухе тоже приходится на NO. Тем не менее в течение утра окись азота почти полностью окисляется до двуокиси. Это не может быть следствием окисления молекулярным кислородом воздуха, которое идет слишком медленно. Если бы происходило окисление озоном, то озон должен был бы образовываться в гораздо большем количестве, чем то, на которое указывает наблюдаемая равновесная концентрация. В смоге и в искусственном смоге, получаемом в лаборатории, найдены органические азотистые соединения. Возможно, что это пероксиацетил нитрат [42, 43]

H3CCOONO2

О

Он может иметь отношение к окислению окиси азота. Но Даже если это действительно так, то механизм окисления остается невыясненным.

Другой предполагаемый механизм образования озона требует наличия свободных радикалов, подобных тем, которые возникают в реакции (2.4). Такие радикалы присоединяют молекулярный кислород воздуха и образуют

перекисные радикалы. Они в свою очередь могут далее реагировать с кислородом и образовывать озон [41 ]:

R + О2 + М — RO? + М,(2.6)

RO2 + O2 — RO + Os.(2.7)

Существуют данные, говорящие в пользу этого механизма. Когда диацетил освещается видимым светом, он разлагается на два радикала ацетила. Когда фотолиз происходит в воздухе, образуется озон, возможно, в результате следующих реакций:

О ОО

II IIII

Н3С—С—С—СНд + 加一 2Hse—С,(2.8)

ОО

IIII

HSC—С +。2 一 HSC—С—О2,(2.9)

ОО

НII

Нзс—С—О2 +。2 — Н3С—С—О + О3. (2.10)

Ханст и Калверт 144], наблюдая фотохимическое разложение диацетила в кислороде, нашли, что при этом образуется уксусная кислота, а не надкислоты. Это возможно в том случае, если в результате реакции (2.10) образуется озон.

Озон в фотохимическом смоге не ответствен непосредственно за его неприятные свойства, но косвенно он может быть главной причиной вызываемого смогом повреждения растительности. Озон быстро реагирует с различными олефинами [45], и продукты реакции вызывают повреждение растительности, типичное для фотохимического смога. Однако, если концентрация реагентов сравнима с концентрацией, существующей в смоге, продукты реакции, по- видимому, не вызывают раздражения глаз и не содержат значительного количества частиц [46].

Ни одао из приведенных выше химических уравнений не объясняет присутствия частиц в фотохимическом смоге, хотя некоторые из этих реакций несомненно участвуют в их образовании. Шук н Дойл [47] нашли, что аэрозоли

образуются при облучении находящихся в воздухе циклогексана и двуокиси азота. Прагер и др. [481 наблюдали образование частиц при облучении в воздухе 2,4,4-три- метил-1-пентена и двуокиси азота. Образование аэрозолей в таких системах изучали и многие другие исследователи. Их результаты показывают, что многие, если не большинство олефинов с шестью или более атомами углерода, с разветвленной или неразветвленной цепями или циклических, а также ряд ароматических углеводородов в присутствии двуокиси азота образуют при облучении в воздухе аэрозоли [49]. Концентрация всех упомянутых веществ должна быть при этом порядка 10~6.

Добавление сернистого ангидрида SO2 к смесям воздуха, углеводородов, окиси и двуокиси азота сильно увеличивает количество частиц, образующихся при облучении [47, 50, 511. Скорость исчезновения сернистого ангидрида много больше, чем можно было бы ожидать, если бы происходило только его фотохимическое окисление, которое мы обсудим позднее. Таким образом, сернистый ангидрид должен участвовать в химических реакциях системы NO—— —NO2 ——углеводороды —О2. Диаметры частиц, возникающих при облучении таких смесей в присутствии SO2, почти всегда меньше 1 мк.

Почти все частицы, образующиеся в присутствии SO2, представляют собой капельки серной кислоты [52]. Поскольку серная кислота не является существенной составляющей фотохимического смога, маловероятно, что SO2 вносит заметный вклад в его аэрозольную компоненту.

Состав частиц фотохимического смога изучался очень широко. Подробный химический и спектроскопический анализ их приведен в табл. 1. Был проведен ряд исследований органического вещества в фотохимическом смоге, обычно путем осаждения частиц на фильтрах при большой скорости течения. Собранное вещество экстрагировалось неполярным органическим растворителем. Инфракрасный спектр этого вещества оказался чрезвычайно похожим на спектр пылевого вещества, образуемого при реакции озона с некоторыми олефинами. Производился также сбор частиц смога в микроскопические кюветки. Многие частицы состояли из темно-коричневого, клейкого, нерастворимого в воде органического вещества. Некоторые состояли из

капелек, медленно испарявшихся в течение нескольких дней и образовывавших на поверхности довольно плотную пленку. Одни капельки состояли в основном из органического вещества, другие — в основном из воды [53]. Сходные капельки были собраны из автомобильных выхлопных газов и из дыма горящей древесины. По-внднмому, при горении органического вещества они образуются всегда.

Иногда в микроскопических кюветках попадались гексагональные частицы (пластинки). Судя по их низкому показателю преломления (чуть больше 1,43) и устойчивости по отношению к нагреванию, они могут быть частицами шайрерита Na2SO4-Na(F, Cl) или пахнолита NaF・ •CaF2-AlF3-H2O. Небольшие количества фторидов были найдены также в растворах, конденсировавшихся из фотохимического смога в ловушках, охлаждаемых жидким азотом, и в частицах, собранных при помощи электрофильтров (табл. 1). Игольчатые кристаллы весьма обычны в веществе, собранном из фотохимического смога, равно как н из загрязненной атмосферы иного типа. Обычно они представляют собой гипс (CaSO4-2H2O) [53, 54].

Концентрация частиц диаметром более 〜0,2 мк в плотном фотохимическом смоге меняется от 3000 до 10000 частиц/см3. Распределение частиц в диапазоне размеров 0,2—10 жк можно приближенно представить функцией распределения

f(d) = ad~\ (2.11) где а и & ——постоянные и 6 « 4.

В тех местностях, где сжигают уголь, смог во многих отношениях отличается от фотохимического смога, лишенного угольного дыма, хотя в его составе может быть и фотохимический смог. Смог с угольным дымом содержит многочисленные ароматические, алифатические и гетероциклические соединения, образующиеся при неполном сгорании угля. Неорганические газовые составляющие часто присутствуют в нем в гораздо более высоких концентрациях, чем в фотохимическом смоге. Эти составляющие включают в себя сернистый ангидрид, сероводород, окись н двуокись азота, фтористый водород, окись углерода и аммиак. Если концентрация углеводородов достаточно велика, то в таком смоге может образовываться озон,

но измеренные концентрации его много ниже, чем в фотохимическом смоге. Возможно, концентрация озона действительно низка, но часто она только кажется низкой из-за трудностей измерения концентрации сильного окисляющего агента в присутствии относительно больших количеств сильного восстанавливающего соединения, такого, как сероводород.

Существует заметная тенденция, по крайней мере в США, к увеличению потребления в качестве топлива нефтепродуктов и к уменьшению потребления угля. В результате количество смога, вызванного сжиганием угля, уменьшается, а фотохимического смога ——увеличивается

Природа частиц смога в городах, где в качестве топлива используется уголь, меняется как со временем, так и от города к городу. В основном это происходит потому, что сжигание угля обычно является лишь одним из источников атмосферного загрязнения в этих местах. Такие города обычно имеют высокоразвитую промышленность, и различные производственные процессы, не связанные со сжиганием угля, могут вносить свой вклад в общее загрязнение воздуха в виде различных дымов, пыли и паров.

Смог, представляющий собой комбинацию тумана и дыма, — явление довольно редкое, но когда он возникает, день буквально обращается в ночь. Большинство так называемых смогов в городах, в которых сжигают уголь (даже в таких городах, как Лондон), состоит в основном из скоплений загрязняющих веществ ниже уровня атаосфер- ной инверсии. Одно из наиболее обширных исследований смога было предпринято Национальной службой контроля за чистотой воздуха Министерства здравоохранения США [55—57]. Эта служба, основанная в 1953 г., имеет в своем составе 185 городских станций по сбору проб воздуха и 51 станцию в сельской местности. Станции расположены йо всех 50 штатах, а также на о. Пуэрто-Рико и в округе Колумбия. Исследования охватывают как атмосферу, чнс- тую от смога, так и смог, в том числе фотохимический.

Частицы собирались на фильтры из стекловолокна и подвергались анализу. Определялись весовая концентрация частиц, растворимого в бензоле органического вещест- ва и ^-радиоактивность проб. Некоторые анализы были

сделаны на предмет обнаружения NO3~, SO「~, Be, Мп, Pb, Sn, Fe, Cu, Li, V, Zn, Cr, Ni, Mo, Bi, Cd и Sb. В табл. 2 показано полное содержание частиц растворимого в бензоле органического вещества, сульфатов и нитратов для восьми городов [57]. В первых четырех городах списка возникает в основном фотохимический смог. Примечательно, что для первых четырех городов процент растворимых в бензоле органических веществ н нитратов значительно выше, чем для последних четырех; процент сульфатов, наоборот, ниже. Эго согласуется с нашими представлениями о происхождении фотохимического смога.

Таблица ?

Концентрация частиц в некоторых городах, 1958 г. (арифметические средние)

Станция

л

Взвешенные час-

мкг/м3

в

Растворимое в бензоле органическое вещество.

с

Сульфат

D

Нитрат

мкг 'м3

%от д

мкг/мэ

% от Л

мкг/м^

% ОТ J

Лос-Анджелес

213

30,4

14,2

16,0

7,5

9,4

4,4

Сан-Франциско

80

10,6

13,3

6,2

7,7

2,6

3,3

Сан-Диего

93

12,2

13,1

?,7

8,3

4,2

4,5

Денвер

НО

11,0

10,0

23 ：0

5,5

2,3

2,1

Нью-Йорк

164

14,3

8,7

14,0

2,2

1,3

Питтсбург

167

13,0

7,8

12：2

9,0

2,6

1,6

Цинциннати

143

13,7

9,6

8,5

2,6

1,8

Луисвилл

228

18,0

7,9

20,6

4,9

2.1

О распределении по размерам частиц смога, за исключением фотохимического, известно очень мало. Мельчайшие частицы угольного дыма в основном имеют субмикронньп! размер, но такие частицы быстро образуют хлопья сажи. Такой дым содержит также значительно более крупные частицы «летающего пепла», состоящего главным образом из неорганического шлака. Когда появляется туман, основная весовая доля частиц приходится на частицы, диапазон размеров которых характерен для капелек тумана, т. е. диаметром от 1 до 50 %к.

Надер и др. [58] изучили распределение по размерам мастиц в воздухе деловой части Цинциннати. Здесь в течете долгого времени наблюдался смог, вызванный сажей. |^хслсдоватсли применяли анализатор размеров чзстиц, состоящий из миниатюрного фотометра для изучения рнссеяння света и амплитудного анализатора импульсов, разработанного для полевых измерений, проводимых Сано- тарно-техническим центром им. Тафта при Министерстве здравоохранения США. Большинство частиц имели диаметр меньше 2 %к, мода распределения находилась чуть ниже 峭 мк. Авторы пришли к выводу, что это распределение ТИПИЧНО для воздуха Цинциннати, за исключением тех случаев, когда какой-либо мощный источник частиц радикально меняет его состав.

-Регулирование смога очень затруднено по техническим, политическим и экономическим причинам. Установлено, что единственный метод эффективного контроля над смо- гом — это контроль над его источниками. Было внесено множество предложений относительно методов удаления уже образовавшегося смога, но все они。требуют нереальных энергетических затрат и непомерной организационнои работы [59].

Действенность мер контроля, введенных во многих индустриальных городах США, хорошо известна. В таких городах контроль в основном заключается в законодатель- иых ограничениях на количество выбрасываемых заводами загрязняющих веществ и в эффективных принудительных мерах по отношению к этим заводам. Полезно также заменить сжигание мусора и отходов на их измельчение и захоронение. Контроль за качеством угля, сжигаемого в домашних печах, или замена угля газом для отопления домов может значительно уменьшить количество атмосферной сажи. с

Контроль за фотохимическим смогом — это совершенно иная проблема. Поскол ьку бол ьшая часть у гл еводо родов в таком смоге, играющих главную роль в его образовании, выделяется автомобилями, контроль над источниками заключается в уменьшении содержания у глеводородов в ав- томобильных выхлопных газах и в газах, выделяемых из картера мотора. Последние можно контролировать относительно легко, осуществляя многократную циркуляцию

газов через двигатель. Для уменьшения содержания углеводородов в выхлопных газах разработаны два основных метода. Первый метод основан на дожигании углеводородов в специальной высокотемпературной камере. Во вто- ром методе используется каталитическое окисление углеводородов при сравнительно низких температурах. К сожалению, ни один из этих методов не приводит к удалению окислов азота. Такой метод еще предстоит разработать.

Другим типом загрязнения воздуха, как уже говорилось, является промышленное загрязнение. Почти вся промышленность—это потенциальный или уже существующий источник загрязнения воздуха. Загрязняющие вещества могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Вследствие огромного разнообразия промышленных процессов мы не будем здесь рассматривать частицы индустри- ального происхождения. Выбросы частиц, производимые некоторыми основными отраслями промышленности, ранее были рассмотрены Кейдлом [60].

Химические реакции

Взвешенные в воздухе частицы образуются и изменяются в ходе различных химических реакций. Многие из этих реакций сходны с теми, которые наблюдаются в смоге. Например, атомарный кислород образуется путем фотохимического разложения солнечным светом двуокиси азота и озона. Атомарный кислород быстро реагирует с сернистым ангидридом, если последний присутствует в атмосфере. При этом возникает серный ангидрид, который в свою очередь быстро реагирует с водяным паром, образуя капельки серной кислоты. Реакция происходит по формуле

SO? + О + М 一 SO3 + М,SO? + О + М 一 SO3 + М,(2.12)(2.12)где М — любая третья молекула или атом. Значение константы скорости реакции А в уравнении

SO? + О + М 一 SO3 + М,

SO? + О + М 一 SO3 + М,

(2.12)

(2.12)

— ^L = k[o][^)i][^](2.13)

равно

4,8 ■ 1015 сме/моль'2 • сек.

i^e М — это О2 или №, а скобки означают концентрацию в^моль/см3. Энергия активации равна нулю, так что k не зависит от температуры [61J. В тропосфере концентрация атомарного кислорода слишком низка (за исключением, возможно, некоторых типов смога), чтобы этот процесс имел существенное значение по сравнению с другими механизмами окисления сернистого ангидрида. Однако, как мы увидим позднее, эта реакция может играть роль в нижней стратосфере.

Сернистый ангидрид в воздухе, освещенном Солнцем, подвергается также фотохимическому окислению до серной кислоты:

2SO2 + О2 + 恥一 2SO3, (2.14)

' SOs + H2O — H2SO4. (2.15)

Сернистый ангидрид довольно сильно поглощает солнечное излучение в тропосфере в интервале длин волн от 2900 до 4000 А- Энергия фотонов такого излучения слишком мала, чтобы вызвать диссоциацию SO2 на SO и О. Однако SO2 при поглощении излучения переходит в возбужденное состояние и реагирует с О2 гораздо быстрее, чем в основном, невозбужденном состоянии.

Герхард [62, 63] нашел, что скорость реакции пропорциональна концентрации сернистого ангидрида. При ярком солнечном свете от 0,1 до 0,2% сернистого ангидрида превращается в SOs за 1 час. Исследования этой реакции были предприняты также Холлом [64] и Ренцетти и Дойлом [50]. Холл облучал солнечным светом трубки, содержащие сернистый ангидрид (с парциальным давлением от 56 до 230 ■м pm. ст.) и кислород (с парциальным давлением от 50 До 200 мм рт. ст.) и нашел, что скорость образования SOs прямо пропорциональна концентрации сернистого ангид- РВДа и почти не зависит от концентрации кислорода. Скорость реакции можно, таким образом, оценить по уравнению

一岬1 = A[SO2U ①幻[SO,], (2.16)

где Ф — квантовый выход фотохимической реакции, k — наблюдаемая константа скорости фотолиза, ka—коэффициент поглощения, а скобки означают концентрацию [651. Холл получил, что ^ = 5-10~4 част】 для облучения солнечным светом в период с 10h до 15h местного времени. Используя вместо Солнца ртутную дуговую лампу, он получил также одно значение Ф, равное 0,036 (для линии 3130 А)- Данные Ренцетти и Дойла были получены при облучении ртутной лампой среднего давления объема воздуха, содержащего на миллион частей от 0,2 до 0,6 части сернистого ангидрида. Лейтон [65] нашел, что их результаты соответствуют ka = 0,013 лшн-1. Так как наблюдаемое значение 左 в среднем равно 0,0045 лшаг* то Q)= 6,3, что на порядок величины больше, чем величина, полученная Холлом. Герхард и Джонстон [63], также пользовавшиеся искусственным освещением (ртутная лампа дневного света), получили 4 = 6,8・ 10*3 част* что, по оценке Лейтона, соответствует 弘七 2 част1 и Ф ^ 3-10~3. Они провели также несколько экспериментов с солнечным светом; полученные результаты приводят к значениям Ф от 10-2 до 10-з.

Лейтон предложил для этой реакции следующий механизм, в основе которого лежит образование возбужденной молекулы сернистого ангидрида SO2*：

SO2 + 小-

f so；,

(2.17)

so；-

> so£,

(2.18)

so； + м -

-so2 士 M,

(2.19)

SO；+O2 -

> SO4,

(2.20)

so4 + so2 -

+ 2sОз，

(2-21)

SO4 + O2 -

+ SO3 + 03.

(2.22)

Из этих уравнений он получил выражение, которое позволяет предсказать, что при высоких концентрациях кислорода и низких концентрациях SO2 скорость фотоокисления пропорциональна концентрации сернистого ангидрида и не зависит от концентрации кислорода.

Гораздо быстрее, чем в газовой фазе, сернистый ангидрид окисляется в водном растворе, т. е. в виде сернистой

■слоты. Окисление идет особенно быстро, если раствор Щелочной [66] или содержит соли некоторых металлов, 嬢нх, как марганец или железо [67]. Таким образом, it^KHO ожидать, что туманы способствуют образованию в Вшосфере капелек серной кислоты, и это, по-видимому, ласуется с опытными данными. Джонстон и Куганор г] исследовали растворение и последующее окисление Йрнистого ангидрида взвешенными в воздухе водяными каплями, содержащими растворенные катализаторы. При )витерпретации полученных ими данных они пользовались «Теорией стационарной диффузии и химических реакций в живых клетках, разработанной Рашевским [68]. В этом случае применимы дифференциальные уравнения

":口 (塞+ 等塞)+ L。 (223)

紀、1

+=0.(2.24)

:d 彳G d/ч

Граничное условие при r^ =广

■口将=De 需,(2.25)

ГДе 厶一расстояние от центра сферической частицы радну- $ом г; с — концентрация реагирующего газа; q — скорость реакции растворенного газа с веществом частицы; D — коэффициент диффузии; индексы i н е относятся к объемам Внутри и вне частицы.

а Эти уравнения можно проинтегрировать для разных Типов стационарных реакций. Когда скорость газовой Диффузии велика по сравнению со скоростью диффузии и реакции внутри частицы, a q относится к реакции первого Порядка, стационарная скорость Rs на единицу площади Поверхности частицы определяется уравнением

' 「^[ЛеГЗ，—"」(2-26) 以е k — константа скорости реакции. Когда J' k/Dt г велико, Уравнение (2.26) упрощается и принимает вид

R = cJ 所. (2.27)

Если q относится к реакции нулевого порядка и проникновение реагирующего газа в частицу мало, то

凡=『2с— . (2.28)

Кота скорость газовой диффузии мала по сравнению со скоростью абсорбирования частицей, а концентрация газового реагента достаточно высока, чтобы ее можно было считать практически постоянной, то

《=平=联， (2.29)

где R — газовая постоянная, Т ——абсолютная температура, а р — парциальное давление реагирующего газа. Это уравнение справедливо только тогда, когда движение частицы относительно газа практически отсутствует. Эти уравнения применимы ко многим стационарным реакциям, происходящим в аэрозолях.

Джонстон и Куганор [67] нашли, что скорость абсорбции перекиси водорода определяется диффузией сернистого ангидрида в газовой фазе (2.29). Они обнаружили также, что абсорбция сернистого ангидрида каплями разведенного раствора сульфата марганца описывается уравнением для стационарной скорости реакций, определяемых диффузией в жидкой фазе и реакцией нулевого порядка (2.28).

Юнге [15] показал, что по крайней мере в одном месте (во Франкфурте) частицы радиусом 0,1 — 1 мк («большие») и частицы радиусом более 1 мк («гигантские») сильно различаются по химическому составу. Первые содержат большой процент сульфата аммония; в последних сульфата аммония значительно меньше, но относительно высок процент хлористого натрия. Юнге предполагает, что, возможно, гигантские частицы возникли в основном из морской соли, а большие образовались путем коагуляции молекулярных комплексов сульфата аммония. Эти комплексы формировались нз газовой фазы и твердых частиц радиусом более 0,1 九к. Однако возможно также, что сульфат образовался путем окисления сернистого ангидрида в капельках тумана, содержащих растворенный аммиак. Имеющиеся данные указывают на то, что частицы сульфата аммония присутствуют в больших количествах в тех районах, цце

црн сжигании топлива образуется как сернистый ангидрвд, 修к и аммиак.

-Можно было бы ожидать, что важной реакцией будет реакция озона с сернистым ангидридом с образованием трехокиси серы. Однако в действительности эта реакция едет чрезвычайно медленно (если вдет вообще) даже при высоких относительных влажностих.

Размеры капелек серной кислоты, образующихся в |)езультате любой из описанных выше реакций, будут определяться количеством серной кислоты в капельке и относи- .тельной влажностью. В условиях равновесия давление водя- 挈ых паров над поверхностью капелек будет равно парциальному давлению водяного пара в воздухе.

Когда сернистый ангидрид растворяется и окисляется 導 капельках, содержащих растворенный хлористый натрий, гфбразованне серной кислоты может привести к появлению упористого водорода, который выделяется из капельки, особенно при ее высыхании. Если молярное количество хлористого натрия превышает количество серной кислоты, •то испарение воды приведет к образованию твердой час- -тицы, состоящей в основном из смеси хлористого натрия и сульфата натрия. Такие частицы часто встречаются в гпробах атмосферного воздуха.

Кроме сульфата, в солевых частицах образуются нитраты. Особенно высокое содержание нитрата было найдено •в частицах диаметром более 1 мк, собранных в прибрежных областях северо-востока США [16]. Такие частицы, по-ви- Димому, являются продуктом реакции солевых частиц с находящейся в воздухе двуокисью азота NO2- Концентрация нитрата в частицах очень велика тогда, когда концентрация NO2, вызванная загрязнением воздуха, особенно высока.

Роббинс, Кейдл и Экхардт 1691 изучали эту реакцию в лабораторных условиях. В камере объемом 10 м3 приготовлялись смеси реагирующих паров и аэрозолей с воздухом. Пробы отбирались путем фильтрации находящегося в камере воздуха и анализировались на содержание нитрата и ■ хлорида. NO? быстро реагировала с кристаллами хлористого натрия (или с капельками, когда влажность была высока), и образовывался нитрат. Образования нитрита не .наблюдалось. Первым этапом реакции, по-видимому, явля-

ется гидролиз NO2 с образованием паров азотной кислоты HNO3: “

3NO2 + Н2О — 2HNO3 + NO. (2.30)

Затем следует либо адсорбция HNO3 на сравнительно сухих частицах хлористого натрия при относительной влажности меньше 〜75%, либо (при больших влажностях) растворение HNO3 в водяных капельках, содержащих хлористый натрий. Затем происходит взаимодействие между азотной кислотой и хлористым натрием, сопровождаемое десорбцией хлористого водорода, либо сразу же после реакции, либо при последующем испарении капелек. Полученные результаты показывают также, что реакция между NO2 и NaCl с образованием хлористого нитрозила NOC1 и азотнокислого натрия, которая, как часто предполагалось, является первым этапом в образовании хлора или хлористого водорода в атмосфере, на самом деле проходит очень медленно по сравнению с описанным выше процессом.

Некоторые растения выделяют органические газы. Многие из этих газов поглощают мягкое ультрафиолетовое излучение Солнца, доходящее до тропосферы. Такие газы могут подвергаться фотохимическому окислению с образованием высокомолекулярных соединений, которые конденсируются из атмосферы в форме аэрозолей. Можно ожидать, что происходящие при этом реакции сходны с реакциями, протекающими при высыхании масляных красок. Вент [70] приписывает таким реакциям наблюдающуюся в жаркий летний день дымку. Он указывает, что более или менее плотная дымка существует круглый год над бассейном Амазонки, над джунглями северной Колумбии и над плоскогорьями юго-восточной Мексики. Летом дымка покрывает большую часть США. Возможно, что этими реакциями объясняется тот факт, что летом атмосфера поглощает больше солнечного света, чем зимой, а также то, что зимой ночное небо гораздо более ясное.

Эти реакции напоминают реакции, происходящие в фотохимическом смоге. Плотность мглы, создаваемой фотохимическим смогом, обычно увеличивается в течение утра, достигая максимума в полдень или вскоре после него, а затем обычно уменьшается. Во время своего знаменитого

путешествия на корабле «Бигль» Дарвин (36) наблюдал подобное явление в Бразилии:

«В этот день я был особенно поражен замечанием Гум- бмьдта, — которое он неоднократно повторяет, — о《тон- НОИ тумане, который, не изменяя прозрачности воздуха, де^^т только оттенки цветов более нежными, смягчая их резкость». Этого явления я никогда не замечал в умеренном поясе. Воздух на протяжении какой-нибудь полумили или трех четвертей мили был совершенно прозрачен, но на большем расстоянии все цвета виднелись сквозь удивительно красивую дымку, светло-серую с голубым оттенком. Атмос- ферные условия с утра и до полудня, когда эффект был всего резче, оставались одинаковыми, кроме степени сухости йОДдуха. В этот промежуток разность между точкой росы и температурой возрастала с 7,5 до 17°».

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ

Были проведены многочисленные исследования концентрации естественных аэрозолей и их распределения по размерам. Особенно много работали в этой области Юнге и его сотрудники [9, 15, 16, 71(. Юнге нашел, что распределение размеров атмосферных аэрозолей удобно представлять в логарифмическом масштабе как dN/d 1g г слГ2 в функции радиуса г, где N — число частиц в 1 с%з, а 厂 измеряется в мк. Типичные графики для континентальных и морских аэрозолей показаны на рис. 6 и 7. При этом методе представ- ления данных указываются одновременно и концентрации частиц и их распределение по размерам. Для частиц, взвешенных в воздухе над континентами, наклон кривой распределения в большей части изученного интервала размеров равен приблизительно —3, так что dN/dlgr пропорционально 广3

；Так как

dN — rdNdIgr — dr，

число частиц в единице объема в единичном интервале раз- ^ров приблизительно пропорционально г~4. Обратите внн- манне, что частицы с радиусом меньше —1 мк над континентами присутствуют в значительно больших концентра-

циях, чем над океанами. Основная причина состоит в том, что средняя скорость образования частиц на единицу площади суши больше, чем на единицу площади моря.

На рис. 6 и 7 приведены средние данные и можно ожидать, что отклонения от них крайне велики. Концентрация и распределение размеров меняются как со временем, так и с местом. Очевидно, что график для дыма лесного пожара значительно отличается от графика для воздуха во время песчаной бури в пустыне. Отмечены колебания концентрации частиц Эйткена в горных районах от 0 до 155 000 частиц/см2 [72]. Сильные колебания концентрации происходят, конечно, в загрязненной атмосфере. Например, плотный смог в Лос-Анджелесе, имеющий фотохимическое происхождение, может содержать от 3・ 1(Р до 10-103 частиц/см3 в основном радиусом в интервале 0,1 — 1 мк. Такой смог, накладывающийся на естественное распределение, изображенное на рис. 6, должен значительно изменить вид кривои распределения по размерам.

Теоретическое объяснение подобия распределений по размерам естественных аэрозолей, полученных в разных местах и в разное время, было разработано Фридлендером [73]. Это объяснение не связано с исходным распределением н с пропорциями, в которых смешиваются различные аэрозоли. Оно основано на сходстве преобразований, описываемых уравнениями кинетики коагуляции и оседания аэрозолей. Предполагается, что верхний конец распределения по размерам приближается к квазистационар ному, так что скорость поступления вещества в результате коагуляции равна скорости, с которой вещество теряется при осаждении. При помощи этой теории можно оценить скорость, с которой вещество переходит из нижнего в верхний конец распределения по размерам.

Хайди [74] пересмотрел теорию коагуляции частиц, испытывающих броуновское движение. В частности, путем численного решения уравнений коагуляции он исследовал влияние неоднородности размеров частиц и движения частиц в разреженной среде. Особый интерес с точки зрения распределения атмосферных частиц по размерам представляет его вывод, что через достаточно большой промежуток времени возникает «самоподдерживающаяся» функция распределения, независимая от начального распределения.

Однако вид ее меняется с изменением отношения длины сво- (йцного пробега в среде (например, в воздухе) к радиусу частиц.

:；匚 Туоми и Северинз [75] изучали распределение по размерам частиц естественных азрозоле員 радиусом меньше 0,1 мк. Скорость их «исчезновения» (коагуляции) определялась путем забора проб воздуха в большие баллоны из металлизо-

7。7。1010-3-2-3-2-70721дг(мк)-70721дг(мк)Рис. 6. Распределение частиц по размерам в континентальном воздухе.Рис. 6. Распределение частиц по размерам в континентальном воздухе.2加 / / 如:*3 ..卜6~P-NP2加 / / 如:*3 ..卜6~P-NP-3-2-7 0 7 2 [夕「仲")-3-2-7 0 7 2 [夕「仲")Рис. 7. Распределение частиц по размерам в морском воздухе. Цифры у кривых указывают скорость движения воздуха в км/час.Рис. 7. Распределение частиц по размерам в морском воздухе. Цифры у кривых указывают скорость движения воздуха в км/час.5 ? / 加加 勿 子 切 :4 &7и/Аъ5 ? / 加加 勿 子 切 :4 &7и/Аъ

7。

7。

10

10

-3-2

-3-2

-7072

1дг(мк)

-7072

1дг(мк)

Рис. 6. Распределение частиц по размерам в континентальном воздухе.

Рис. 6. Распределение частиц по размерам в континентальном воздухе.

2

加 / / 如

:*3 ..卜6~P-NP

2

加 / / 如

:*3 ..卜6~P-NP

-3-2-7 0 7 2 [夕「仲")

-3-2-7 0 7 2 [夕「仲")

Рис. 7. Распределение частиц по размерам в морском воздухе. Цифры у кривых указывают скорость движения воздуха в км/час.

Рис. 7. Распределение частиц по размерам в морском воздухе. Цифры у кривых указывают скорость движения воздуха в км/час.

5 ? / 加加 勿 子 切 :4 &7и/Аъ

5 ? / 加加 勿 子 切 :4 &7и/Аъ

ванного майлара и пропускания этих проб через специалЬ' ное устройство для измерения размеров частиц, называемое диффузионной батареей. Полученные результаты говорят о том, что большинство естественных аэрозолей первоначально имеют радиус порядка 0,01 %к, но быстро вырастают путем агломерации. Мода распределения приходится на Частицы радиусом около 0,08 мк. Было высказано предполо- Менне, что мода приходится на ту область размеров, где атмосферные частицы имеют наибольшее время существования. Они медленно оседают из атмосферы под действием соб-

ственной тяжести, слишком малы, чтобы эффективно вымываться дождями, но достаточно велики, чтобы диффузия влияла на них сравнительно слабо. Если эти данные изобразить описанным выше способом Юнге, то наклон кривой для частиц радиусом больше 0,1 мк будет равен не —3, а ——2 или —2,5.

ФИЗИКА ОБЛАКОВ

Конденсация

Большинство облаков образуется тогда, когда влажнып воздух поднимается вверх и расширяется. Расширение вызывает охлаждение. Когда достигается достаточное охлаждение, происходит конденсация водяного пара с образованием облачных капелек. Для того чтобы конденсация произошла в отсутствие ядер конденсации, необходимо, чтобы парциальное давление водяного пара в воздухе примерно в 4 раза превышало насыщающее. Однако описанные в предыдущих разделах частицы служат ядрами конденсации, и пересыщения пара почти не требуется (рис. 8). Гигроскопические частицы служат ядрами конденсации при влажности ниже насыщения.

Размеры нелетучих тропосферных частиц имеют большое значение, так как они служат ядрами конденсации. Как будет видно далее, поведение испаряющихся водяных капель в облаке также в большой степени определяется их размерами.

Равновесное давление пара над искривленной поверхностью жидкости чуть больше, чем над плоской поверхностью той же самой жидкости. Если капелька воды находится не в пересыщенной атмосфере, она испаряется. Равновесное давление пара определяется следующим уравнением:

(2.31)(2.31)1 pi2Мс

(2.31)

(2.31)

In —=

РrpRT

где М ——молекулярный вес жидкости, р н р【——давления пара над плоской и искривленной поверхностями соответственно, о — поверхностное натяжение, р — плотность жидкости, R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура, аг — радиус кривизны поверхности. Если поверх-

рис о Жена автора демонстрирует действие ядер конденсации н

■ низкую концентрацию таких 噂Р 靠器靠*Килауэа :二嘴в駡霁吧3紫紀黑工 создает высокую концентрацию - ' ' ядер конденсации.

ности заряжены, то уравнение принимает вид e 9 =龄传--备)>(2.32)

где q — величина заряда, а е ——диэлектрическая постоянная.

Эффект кривизны очень мал, если только радиус капли не меньше 〜0,1 мк. Однако меньшие капельки испаряются быстро даже в немного пересыщенной атмосфере. Такие капельки могут действовать как ядра конденсации только тогда, когда атмосфера достаточно пересыщена, так что парциальное давление водяного пара в воздухе превышает давление пара близ капельки. Согласно теории самозарождения ядер конденсации [76], в результате ряда двойных соударений образуются агрегаты, содержащие примерло 80 молекул воды. Давление пара над таким агрегатом достаточно мало, чтобы он мог служить ядром конденсации при относительном пересыщении по крайней мере 4,2.

Можно считать, что ядра конденсации действуют как катализаторы при образовании агрегатов молекул воды, которые в свою очередь действуют как ядра. Ядра конденсации уменьшают работу, затрачиваемую на образование агрегатов [76]. Работа образования водяных капелек в процессе самозарождения ядер определяется уравнением

昭— 3 陷 In (pl/р)产，(2.33)

где Vb— удельный объем на одну молекулу в капельке, а А ——постоянная Больцмана. В этом случае р，р представляет собой степень пересыщения. Когда р〃р =1, т. е. когда атмосфера насыщена водяным паром, IT = оо и самозарождение ядер не может произойти. Действие ядер конденсации можно выразить путем умножения W на множитель /, являющийся функцией угла соприкосновения О между растущим агрегатом молекул воды и поверхностью инородной частицы. Если поверхность плоская, то

/ =(2 + cos 8) (1 — cos ")2(2 34)

Обратите внимание, что когда капелька только касается поверхности, 6 = 180° и / = 1. В этом случае справедливо уравнение (2.33). При уменьшении 0 до нуля, / также умень-

шается до нуля; таким образом при уменьшении 6 степень пересыщения, необходимая для образования мглы или тумана, также уменьшается.

Чтобы нерастворимая смачиваемая частица могла действовать как ядро конденсации, степень пересыщения должна быть немного меньше, чем рассчитанная по уравнению (2.31) или (2.32) для капельки того же размера, что н частица. Для нерастворимой и несмачиваемой частицы степень пересыщения должна быть немного больше расчетной. Таким образом, вообще говоря, чем меньше частица, тем менее эффективна она как ядро конденсации.

Для равновесного давления пара над поверхностью капли раствора pls было выведено несколько уравнений. Мейсон [6] предложил следующее уравнение:

4 = Lp 情*] Р + )] " '(2'35)

где р1 — плотность раствора, m — масса растворенного вещества, М1 ——его молекулярный вес, i——коэффициент Вант-Гоффа. Последний зависит от химической природы и степени диссоциации растворенного вещества. Для хлористого натрия t меняется от 2,0 для сильно разведенных растворов примерно до 2,9 для насыщенных растворов.

Уравнение (2.35) состоит из двух членов. Первый член учитывает эффект кривизны поверхности, второй — понижение давления пара, вызванное присутствием растворенного вещества. В результате совместного действия этих факторов равновесная относительная влажность (или пересыщение) для капельки, содержащей определенную массу растворенного вещества, сначала растет с увеличением радиуса капли (с увеличением степени разведения раствора), достигает максимума, а затем уменьшается, асимптотически стремясь к нулю при г—8. Радиус гс (в см), соответствующий максимальному пересыщению, приближенно определяется выражением [1]

Если радиус капли раствора превосходит критический н она продолжает оставаться в воздухе, пересыщение в ко- 3—1275

тором больше равновесного для капли, то она может расти до бесконечности. Чем больше масса хлористого натрия в частице, тем меньше пересыщение, соответствующее гс. При m — 10'15г радиус гс = 0,62 мк и пересыщение равно при близительно 0,13%.

Многие атмосферные частицы — составные. Они состоят частью из растворимого, а частью из нерастворимого в воде вещества. Такие частицы, вероятно, ведут себя в качестве ядер конденсации почти так же, как целиком растворимые в воде частицы, с той лишь разницей, что радиус для данной концентрации растворимого вещества в растворе будет больше.

Распределение размеров облачных капель

Типичные облачные капли имеют диаметр от 1 до 50 %к; медианный диаметр счетного распределения равен примерно 5 мк. Наблюдаемые распределения размеров имеют очень неправильную форму; обычно графики, изображающие концентрацию капель в функции их радиуса, аснмметрни- ны, что видно из рис. 9. Получить точное распределение облачных капель по размерам очень трудно: маленькие капельки легко пропустить. Таким образом, асимметричный вид кривых может н не быть реальным явлением, а объясняться ошибками эксперимента. Это тем более вероятно, что размеры частиц, осаждаемых из водных растворов химически или путем охлаждения, обычно имеют нормальное распределение.

Для получения распределения облачных капель по размерам применялись различные методы. Наиболее обычный метод — это применение некоей разновидности импактора, в котором часть объема облака движется с большой! скоростью в направлении поверхности сбора. Так как частицы обладают определенным количеством движения, они скорее осядут на поверхность, нежели последуют за отклоненным воздушным потоком. При применении этого метода возникает ряд проблем. Эффективность сбора меняется с размером капель, убывая с уменьшением их размера. Чтобы ввести поправку за этот эффект, нужно знать эффективность сбора в функции размера капель. Если удар силен, капля может разбиться. Если на единицу площади поверх-

дости сбора приходится много капель, они могут слиться. Вели не принять специальных мер, собранные капли будут испаряться. Чтобы преодолеть эти трудности, было разработано несколько остроумных методов. Широко применяется способ, при котором поверхность сбора (обычно пред- икгное стекло микроскопа) покрывается слоем масла. Слой должен быть достаточно толстым, чтобы капля погружалась в，масло, которое препятствует испарению и коагуляции.

Ху

党200

м' 150м' 15005"乃 20 25 30 35 40 45Paduyc, ми05"乃 20 25 30 35 40 45Paduyc, миРис. 9. Распределение капель по размерам в облаках различного типа [82].7 — кучевые; 2 — высокослоистые; 3 — слоисто-кучевые; 4 —мощ- нокучевые; 5 — слоисто-дождевые; 6 — слоистые.Рис. 9. Распределение капель по размерам в облаках различного типа [82].7 — кучевые; 2 — высокослоистые; 3 — слоисто-кучевые; 4 —мощ- нокучевые; 5 — слоисто-дождевые; 6 — слоистые.§k Hn^ddEH当но§k Hn^ddEH当но100100у оу оВ другом методе используется тот факт, что эффектив- йость сбора малых частиц на цилиндр увеличивается с )Яйеньшением диаметра цилиндра. Набор вращающихся Цилиндров различных размеров помещается в движущееся облако или движется сквозь облако. Определяется полный вес воды, собранной на каждый цилиндр, и на основании эффективности сбора на цилиндры при скорости воздушного потока, измеренной во время сбора, рассчитывается распределение капель по размерам. Шефер [77] разработал и построил несколько приборов этого типа для измерений на вершине г. Вашингтон на востоке США. Он пользовал- 3*

м' 150

м' 150

05"乃 20 25 30 35 40 45

Paduyc, ми

05"乃 20 25 30 35 40 45

Paduyc, ми

Рис. 9. Распределение капель по размерам в облаках различного типа [82].

7 — кучевые; 2 — высокослоистые; 3 — слоисто-кучевые; 4 —мощ- нокучевые; 5 — слоисто-дождевые; 6 — слоистые.

Рис. 9. Распределение капель по размерам в облаках различного типа [82].

7 — кучевые; 2 — высокослоистые; 3 — слоисто-кучевые; 4 —мощ- нокучевые; 5 — слоисто-дождевые; 6 — слоистые.

§k Hn^ddEH当но

§k Hn^ddEH当но

100

100

у о

у о

ся пористыми цилиндрами из хлопка или глинозема, так что собранные капли впитывались в материал. Таким образом, прирост веса цилиндров был равен количеству собранной воды.

В другом методе, основанном на принципе импактора, поверхность сбора покрывается слоем сажи или жженой магнезии, более толстым, чем размеры собираемых капель. Ударяющиеся капли образуют в покрытии дыры, чуть большие самих капель, которые сохраняются и после того, как капли испаряются.

Применяется также электростатическое осаждение. В одном из методов [78] капли заряжаются путем ионизации, а затем осаждаются в кювету с маслом, находящимся в сильном электрическом поле. Прибор состоит из проволоки длиной 20 см, протянутой вдоль оси горизонтальной бакелитовой трубки диаметром 4 см. В центре днища трубки сделано прямоугольное отверстие, в котором помещается изолированная от трубки пластиковая кювета, содержащая тонкий слой масла. Через дно кюветы проходит заземленная проволока, а через верхнюю ее часть — промежуточная металлическая сетка, имеющая потенциал ——2 ке. Потенциал осевой проволоки равен ——14 &е. Осевая проволока ионизует капельки, и они ускоряются по направлению к сетке. По инерции они проходят мимо нее и попадают в масло, чему содействует небольшая разность потенциалов между «сеточной» и заземленной проволокой в дне кюветы.

Применяются также различные оптические методы. Некоторые из них основаны на измерениях светорассеивающих свойств частиц. Например, средний размер можно оценить по угловому диаметру колец, которые видны вокруг точечных источников света, наблюдающихся сквозь облако. По ширине этих колец можно грубо оценить ширину распределения по размерам [79, 80]. Мак-Каллох и Перкинс [81] пользовались микрофотографическим методом для определения размеров облачных капель с самолета. Неподвижность изображения на пленке достигалась при помощи вращающегося зеркала или призмы.

Количество жидкой воды в облаках можно охарактеризовать либо массой воды на единицу массы или объема воздуха, либо числом частиц на единицу объема. Содержание воды в небольшом кучевом облаке обычно равно лишь

н^колькнм десятым долям грамма на 1 At3 и почти всегда чем 1 г/м3. Плотности, превышающие 1 г；м3, наб- д^аются в кучево-дождевых облаках. Численная концентрация составляет обычно десятки или сотни частиц в 1 см3. * Содержание жидкой воды по облаку обычно не постоян- 麻;В кучевых облаках оно мало близ основания, увелнчн- с высотой, а затем может вновь уменьшаться к вер- шине облака [83, 84]. Точно так же средний размер капель у Основания облака мал, с высотой увеличивается до максимума, а затем может уменьшаться.

Судя по тому, что мы знаем о концентрациях ядер конденсации различных размеров, о влиянии размеров на эффек- •^рость конденсации, о достигаемой в облаках степени Пересыщения и о концентрациях облачных капель, частицы ^днусом 0,1——1 川к особенно важны для образования и j^ra облака. Напротив, ядра Эйткена, если только они не； агломерируют с образованием более крупных частиц, це должны иметь никакого значения для начальной стадии Образования облаков.

Образование дождя

: При поверхностном подходе проблема образования дождя в облаках может показаться простой. Капельки либо продолжают расти, точно так же как они образовывались, до трх пор, пока они не выпадут дождем, либо они просто растут вследствие столкновений. В действительности же размеры капель ограничены количеством имеющейся воды, И； хотя слияние облачных капель ——это важный способ образования дождя, особенно в тропиках, механизм такого слияния не вполне ясен.

- Вероятно, первый получивший широкое признание и тео- рйически обоснованный механизм образования дождя заключается в предварительном образовании ледяных крис- *Wuiob. Согласно этой теории, при температуре от ——40 до в облаках существуют неводные частицы, служащие ядрами сублимации. Водяной пар конденсируется на таких 陋Кицах с образованием льда и испаряется из капель, так как конденсация понижает парциальное давление водяного пара в воздухе. Если ядер сублимации меньше, чем облачных капель, образующиеся ледяные кристаллы будут зна：

чительно крупнее капель. Из-за различия размеров такие кристаллы будут падать с разными скоростями; поскольку все они довольно велики, между ними могут происходить столкновения. В результате они срастаются в снежинки. Если на меньшей высоте температура выше точки замерзания, снежинки тают и возникает дождь. В отсутствие ядер сублимации при температурах от —20 до —40° С водяные капли находятся в переохлажденном состоянии.

Одно время думали, что это единственный механизм образования дождя. Теперь ясно, что это не так, ибо дождь часто образуется в облаках, которые не попадают в области, где температура ниже точки замерзания.

Ледяная теория образования дождя является основой экспериментов по воздействию на погоду, предпринятых Ленгмюром, Шефером и их сотрудниками [85—88]. Было высказано предположение, что из многих облаков дождь не выпадает потому, что в ннх слишком мало твердых частиц, способных служить ядрами сублимации при существующих в облаках температурах. Следовательно, вводя в такие облака необходимые ядра, можно повлиять на образование дождя.

Очевидно, нужно выбрать для частиц такое вещество, которое высокоэффективно при сравнительно небольшом переохлаждении н которое легко перевести в тонкодисперсную форму. Для определения эффективности ядер сублимации были созданы сравнительно простые экспериментальные системы. Главной частью очень простого устройства является открывающаяся сверху горизонтальная холодильная камера. Температура в такой камере термостатически поддерживается постоянной, так что в ней можно получать и поддерживать переохлаждение различной степени. Введением влажного воздуха в такой камере можно создать туман. Возникающие переохлажденные капельки тумана не очень эффективно рассеивают свет; когда через туман проходит пучок света, образующийся при этом луч Тиндаля довольно слаб. Однако, когда возникают ледяные кристаллы, размеры их достаточно велики, а форма неправильна, так что отдельные кристаллы мерцают и переливаются весьма эффектно.

Применяются многочисленные разновидности этого метода. Визуальные наблюдения можно заменить фотометра-

叮%кнмн измерениями рассеянного света от луча Тиндаля. Для образования н измерения ядер сублимации и вводимого в камеру водяного пара можно пользоваться сложным вспомогательным оборудованием. Холодильную камеру можно заменить какой-либо разновидностью камеры Вильсона.

Другой метод, иногда применяемый для изучения эффективности ядер сублимации, особенно естественного происхождения, заключается в измерении точки замерзания капель, конденсирующихся на поверхности холодной металлической пластинки, служащей для сбора частиц. Металлическую поверхность можно поместить в холодильную камеру, но охлаждать ее независимо от камеры; капельки или кристаллы, выпадающие на поверхность, можно наблюдать при помощи микроскопа.

Воннегат [89, 90], используя метод рассеяния света в холодильной камере, нашел, что особенно эффективны в качестве ядер сублимации кристаллы йодистого серебра. Он исходил из теоретических представлений о том, что вещества с кристаллическим строением, подобным строению льда, должны быть эффективными ядрами сублимации. По этой причине было выбрано иодистое серебро. Поскольку йодистое серебро довольно дорого, многие исследователи пытались найти ему замену. Аналогичное действие оказывает огромное множество веществ, и некоторые кристаллические вещества почти столь же эффективны, как и иодистое серебро.

Механизм действия ядер сублимации изучался неоднократно. Очевидно, что кристаллическая структура ——важный, но не обязательный фактор, влияющий на сублимацию. Кристаллы йодистого серебра, подобно обычному льду, принадлежат к гексагональной кр исталл огр афи ческой сис- теме; к ней принадлежат также очень эффективные иодистый свинец и сульфид меди. Однако моноклинный сульфид серебра и кубическая окись серебра, по-видимому, вызывают замерзание при более высокой пороговой температуре, чем гексагональный иодистый кадмий. Ледяные кристаллы, вероятно, образуются преимущественно на активных центрах ядра. Этими центрами обычно являются нарушения кристаллической структуры, в частности ступеньки, образующиеся при росте кристалла или при кливаже.

Многие почвы, пески и глины образуют эффективные ядра сублимации при температурах от —20 до —10° С. Эти

вещества, вероятно, действуют как естественные ядра сублимации при образовании дождя.

Согласно Мейсону [1], если кристаллы йодистого сереб- ра поместить в насыщенный паром воздух, а затем подвергнуть его расширению, чтобы наступило пересыщение, то при температуре выше —4° С на кристаллах конденсируется только вода. При температуре от —4 до —12° С, если воздух пересыщен по отношению к пару над жидкой водой, ледяные кристаллы образуются на иодистом серебре на отдельных центрах. При более низких температурах кристаллы образуются на ядрах, даже если воздух ненасытен по отношению к пару над жидкой водой, при условии что по отношению к водяному пару над льдом он пересыщен. Это означает [1], что при ядрах диаметром больше 1——2 мк и при достаточном пересыщении конденсация сопровождается замерзанием на активных центрах при температурах немногим ниже 0° С. При более низких температурах лед может образовываться непосредственно из пара. Ядра Эйткена, требующие для конденсации значительного пере- сыщения, вряд ли могут служить ядрами сублимации в естественных облаках, еслн только облака не сильно переохлаждены или ядра не диффундируют в переохлажденные капли. Подобные же результаты получены с несколькими другими химическими соединениями, такими, как иодистый свинец и сульфид меди.

Если частицы йодистого серебра облучить ультрафиолетовым светом или хотя бы сильным солнечным светом, они теряют большую часть своей эффективности. Выделяется металлическое серебро, и свойства поверхности меняются. Точно так же адсорбция на иодистом серебре паров многих органических веществ понижает их активность как ядер сублимации [91, 92]. Поппов и Шарп [91] исследовали действие аминов, аммиака и спиртов на активность частиц йодистого серебра как ядер сублимации для капель переохлажденной воды. Все исследованные газы подавляли активность; было обнаружено, что концентрация паров, необходимая для подавления активности, увеличивается с уменьшением температуры капель. Кроме того, было установлено, что адсорбция этих ингибиторов на ядрах сублимации обратима и, вероятно, является физической адсорбцией ван- дерваальсова типа, а не необратимой хемосорбцией.

^ Часто может происходить «отравление» ядер сублимации, Особенно если ядра образуются при горении, когда возникав йг также дегтеобразные вещества. В лаборатории автора, ййпрнмер, исследовались концентрации ядер конденсации и <!^блнмацнн водяного пара в выхлопных газах реактивно- 承必молета F80 [93]. Был сконструирован довольно слож- 毗宓 счетчик ядер сублимации (рис. 10). Практически он

f Р и с. 10. Схема устройства счетчика ядер сублимации [93]. — балластная камера; 2 ——вакуумная камера; 3 ——две камеры Вильсона, пр и соеди нен ные к вакуумному насосу; 4 — неопреновая Диафрагма; 5 — пневматический расширитель; 6 — электромагнитный клапан на три положения; 7 —— к атмосфере; 8 —— электромагнит- "ннй клапан; 9 ——клапан сброса давления; 10 ——к атмосфере; М — клапан расширения; 12 — стопоры; 13 ——прожекторная лам- •關 50 вт\ 14 ——линзы; 15 ——поляроиды; 16 ——электромагнитные Клапаны; /7 — вход пробы; 18 ——калибровочная термопара;

— контрольная термопара; 20 — выход пробы; 21 — точечное ■Гретне; 22 —фотоумножитель; 23 — к регистрирующему устройству； 24 —— резиновая диафрагма; 25 —— винты регулирования сте- В^и расширения; 26 ——опорная плита； 27 ——вакуумный насос;

'28 — камера Вильсона.

Состоит из трех камер расширения. Каждая камера обор у- АРВана фотометром для измерения поглощения света. Взя- зондом проба газа делилась поровну между тремя

Камерами. Начальная температура в камерах была Нн*е точки замерзания. В каждой камере осуществля-

лась различная степень расширения, так что облака в каж- дой камере были переохлаждены в разной степени. Температуры после расширения равнялись ——10, —18 и ——30 С

Хотя в выхлопных газах реактивных двигателей были найдены большие концентрации ядер конденсации, ядер сублимации в них обнаружено не было. Этот результат был подтвержден при помощи домашнего холодильника, приспособленного в качестве детектора ядер. Поскольку воздух, засасываемый реактивным двигателем, содержит ядра сублимации, а обнаружено их не было, в высшей степени вероятно, что одна или более компонент выхлопных газов сильно подавляет активность ядер сублимации.

Йодистое серебро нерастворимо в воде, но образует коллоидную суспензию в растворе йодистого натрия в ацетоне. Один из типов генераторов ядер йодистого серебра работает путем образования тонкодисперсных брызг такой коллоидной суспензии при прогоне ее через сопло в смеси с водородом, бутаном или пропаном. Затем брызги воспламеняются [94]. Температура достаточно высока, чтобы испарить йодистое серебро, которое, охлаждаясь, образует дым, состоящий из мельчайших частиц. В основном размеры их находятся в интервале 50—15СЮ А [6]. В генераторе другого типа сгорают куски кокса, пропитанные коллоидной суспензией йодистого серебра в растворе йодистого натрия в ацетоне. Проходящий через слой кокса поток воздуха создает принудительную тягу.

Ядра йодистого серебра часто получают для исследовательских целей, покрывая этим веществом катушку сопротивления, например из нихромовой проволоки, н медленно испаряя расплавленные кристаллы путем пропускания по катушке тока [91, 95]. Бирстейн нашел [95], что концентрация образующихся таким способом частиц в его экспериментах была равна 105—106 частиц!смг и что диаметры их, измеренные при помощи электронного микроскопа, находились в пределах 0,004—0,4 мк. со средним (арифметическим?) около 0,08 мк.

При использовании всех этих методов возникают преимущественно очень маленькие частицы со средними диаметрами меньше 0,1 мк. Следовательно, весьма вероятно, что частицы йодистого серебра диаметром меньше 0,1 мк является эффективными ядрами сублимации. Если это так, то

вбвможно, что частицы эйткеновского диапазона размеров тут играть важную роль как ядра сублимации, хотя и не 城*т значения как атмосферные ядра конденсации. Одна- @ вывод этот не очень надежный, так как при использова- ^ц всех перечисленных методов образования ядер возннка- * некоторое количество частиц, диаметры которых превы- 1|Йют 0,1 %к. Возможно, что в качестве ядер сублимации в бЬк)вном действуют эти более крупные частицы. Мюгге ^6] описал полевые исследования Джиорджи, предпрння- flfe им близ Франкфурта. Эти исследования говорят о том, 4^ в вершинах очень высоких облаков ядра Эйткена при- 曲сают участие в процессе кристаллизации при температуре 1ЙЖе —30° С. В этом отношении интересно отметить также, 痴 концентрация ядер сублимации, встречающихся в естественном состоянии, меняется от 1 на литр при —13° С примерно до 1000 на литр при ——25° С. Для того чтобы вызвать непрерывное осаждение, достаточно 1—10 ледяных Кристаллов на литр [97].

—2℃—2℃3 Многочисленные органические вещества также обладают СНособностью создавать ядра сублимации для переохлажденной воды. Например, некоторые стероиды, очищенные путем термической перекристаллизации [98, 99], могут вызывать образование ледяных кристаллов при температурах до —1° С. Одна из аминокислот образует ядра для льда при —4,5° С. Для засева облаков были предложены такие органические вещества, как флороглюцин и а-феназин. В качестве возможного материала для засева облаков Фу- кута [99] исследовал метацетальдегид (СН3СНО)4, циклический тетрамер уксусного альдегида. Было обнаружено, что в соответствующих условиях он может образовывать ледяные кристаллы при —0,4° С. Способность к образова- йию ядер, судя по величине необходимого переохлаждения, зависит от способа получения и размеров частиц. Фукута вызывал кристаллизацию метацетальдегида из этанола, осаждал кристаллы и разделял их по размерам путем осаждения в воздухе. Для исследований он брал только частицы Диаметром меньше 13 мк. Он обнаружил, что при ббльшая часть раздробленных кристаллов (106 г"1) образовывала ядра, в то время как при работе тем же методом с порошком йодистого серебра образование льда начиналось при —4° С, а для порошка а-феназина — при —3,5° С.

—2℃

—2℃

Способность метацетальдегида образовывать ядра сублимации была объяснена его молекулярным и кристаллическим строением. Фукута [100] предположил также, что способность к образованию ядер сублимации у некоторых органических веществ можно увеличить путем разбрызгивания растворов этих веществ в соответствующих органических растворителях. Это увеличение является результатом охлаждения как раствора, так и окружающего воздуха. Было исследовано 10растворов. Органическими ядрами служили 1,5-диоксифеназин и флороглюцин. Оба эти вещества действовали как ядра сублимации при температурах выше —5° С. Фукута нашел, что разбрызгивание суспензии нерастворимых ядер сублимации в летучей органической жидкости также увеличивает активность ядер в результате охлаждения при испарении.

Лангер и др. [101] исследовали 32 органических соединения как возможный материал для засева облаков. Следующие вещества вызывают «полную кристаллизацию»: флороглюцин при —2° С, трихлорбензол при—12° С, D(+)-pa- финоза при —14° С, тримезиновая кислота при —15° С и меламин при —15° С. Они пришли к выводу, что активность органических ядер сублимации определяется конфигурацией электрических дипольных моментов в молекуле.

Паранго и Лодж [102] определили способность к кристаллизации льда ряда замещенных фенолов н бензойных кислот. Для определения активности ядер применялись два метода: измерение максимальной температуры, при которой происходило замерзание (при помощи микроскопа с охлаждаемым столиком), и измерение относительного числа ледяных ядер, образующихся при данной температуре в холодильной камере. Эти исследователи пришли к выводу, что активность обычно зависит от прочности водородной связи между гидроксильной или карбоксильной группой и молекулой воды. Они полагают, что между молекулярной структурой и активностью ядер существует соотношение, определяемое значением свободной энергии.

Вероятно, наилучшими ядрами сублимации являются сами ледяные кристаллы. Однако засевать облака непосредственно ледяными кристаллами технически трудно. Лучший выход — это образовывать ледяные кристаллы непосредственно в облаках. Удобнее всего добиться этого при помощи

сухого льда (твердой углекислоты). Когда небольшие qac~ тицы сухого льда проходят через переохлажденное облако водяных капель, образуется большое число ледяных кристаллов. Ленгмюр [103] подсчитал, что кусочек сухого льда поперечником 5 мм, прежде чем испариться, образует примерно 1016 ледяных кристаллов.

Облака обычно засеваются иодистым серебром или су- хим льдом, чтобы увеличить количество осадков. Ядра вво~ дятся в облака, считающиеся подходящими для засева, либо при помощи расположенных на земле или поднятых в воздух генераторов дыма из йодистого серебра, либо при помощи распылителей сухого льда.

Засевание облаков является чрезвычайно спорным средством увеличения количества осадков. Не приходится сомневаться, что при определенных условиях таким способом можно вызвать некоторое добавочное количество дождя. Вероятно, наиболее подходящая ситуация для увеличения осадков создается тогда, когда над горными районами поднимаются большие массы воздуха, расширяются и адиабатически охлаждаются. В образующихся облаках может быть недостаток ядер сублимации, которые можно добавить в них при помощи генераторов, расположенных на земле в области восходящего потока. Мейсон [1 ] полагает, что непрерывная генерация ядер йодистого серебра с наветренной стороны горной гряды может вызвать небольшой, но постоянный снегопад на подветренной стороне.

Засевание облаков применялось (или предлагалось применить) также и для других воздействий на погоду. Было сделано несколько попыток повлиять на ураганы, засевая их сухим льдом или иодистым серебром 1104——107]. Полученные результаты говорят о том, что по крайней мере некоторые характеристики ураганов могут быть изменены таким лутем. Например, было показано, что после засевания переохлажденные кучевые облака в урагане могут сильно вырасти в высоту и в поперечнике всего за несколько мн- нут (рис. 11).

Рассматривалась также возможность избыточного обогащения грозовых облаков ядрами сублимации. Если концентрация ледяных кристаллов, образующихся в таких облаках, достаточно велика, кристаллы не могут вырасти до размеров, достаточных для выпадения из облака. Таким

Рис. 11. Действие засеванияи од истым серебром на кучевые

облака.

11 мин после

7 мин после засевания; засевания-

а — за 6 мин до засевания; 6 ——через 1 минУюсле засевания;

образом, в принципе возможно предотвратить град, молнии н торнадо путем избыточного засева зарождающейся грозы. Были опубликованы многочисленные работы с описаниями полевых экспериментов, которые прошли довольно успешно.

Интересное и часто весьма неприятное явление, связанное с действием ядер сублимации,——это образование ледяного тумана. Как говорит само название, это туман, состоящий из ледяных кристаллов. Он возникает над населенными районами в зонах очень холодного климата. Особенно хор о* шо известен он в Фербенксе на Аляске и на близлежащих базах ВВС. Во всех изученных случаях образующий туман водяной пар появлялся в результате деятельности человека, например при работе электрических силовых установок, нагревательных печей и автомобилей. При взлете самсхче- тов может создаваться плотный локальный ледяной туман. Обычно такие туманы образуются только при температурах ниже —40° С. Эта температура практически совпадает с температурой самозарождения ядер, так что для образования тумана достаточно присутствия в атаосфере небольшого числа частиц, являющихся эффективными ядрами сублимации.

Как уже упоминалось, образование ледяных кристаллов ——не единственный механизм возникновения дождя в облаках. Процессы конденсации не позволяют облачным капелькам вырасти до размеров дождевых капель, так как численная концентрация облачных капелек слишком велика, а водяного пара слишком мало, чтобы это произошло. Возникновение дождя н измороси в облаках, температура которых повсеместно выше точки замерзания, должно быть результатом столкновений между облачными капельками, сопровождаемых их слиянием. Столкновения почти навер- няка происходят из-за различий в скорости оседания капелек различного размера. В таком процессе могут участвовать только достаточно большие капельки.

Ленгмюр [108] исследовал захват капелек падающими каплями. Он ввел безразмерный параметр ^, определяемыii выражением

К = — = —(2.37)R 9R可'

где £ ——расстояние, которое капелька радиуса г пройдет в воздухе со скоростью U; ^ ——вязкость воздуха; R——радиус

ухватывающей капли. Ленгмюр определяет эффективность захвата Е как отношение сечения захвата к площади сеие- ^ия захватывающей капли. При больших числах Рейнольд- еа (Re)

(2.38)

а для Re 1000,

以=(1 + 且 E-竺「.(2.39)

，\4 ^—1,214/)

Для промежуточных значений Re Ленгмюр предложил .следующее эмпирическое уравнение:

£ = **〃 R哒0 .(2 40)

1 + Re/60'/

Было установлено, что эти формулы вполне удовлетворительны при больших различиях в размерах между каплями. Однако и теоретические соображения, и экспериментальные данные указывают на то, что формулы Ленгмюра гораздо менее удовлетворительны, если все капли приблизительно одинакового размера.

Хокинг [1091 рассмотрел теоретически эту последнюю ситуацию для капель, размеры которых достаточно малы, чтобы к ним было применимо уравнение Стокса. Его определение Е практически совпадает с определением Ленгмюра. 'Он получил действующие на капли силы путем решения уравнения Стокса для двух движущихся капель при допущении, что они взаимодействуют между собой. Получившаяся система дифференциальных уравнений движения была решена методом Рунге ——Кутта на электронно-вычислительной машине.

Пикнет [НО] подтвердил вывод Хокинга о том, что существует критический размер капель, ниже которого слияния не происходит. Экспериментально он нашел, что капля радиусом 40 мк не захватывает капельки меньше 2 мк, а капли радиусом 30 мк не захватывают капельки меньше 4 мк. Из рис. 12 видно, что если радиус большой капли равен 30 мк, то меньшая, более медленно опускающаяся ка- ггелька должна иметь радиус не меньше ~6 мк. Если боль-

шая капля имеет радиус 〜20 九&, то меньшая должна иметь радиус приблизительно 8 мк. Если меньшая капелька не превышает критического размера, она не столкнется с 6о- лее крупной, и вместо этого обойдет ее стороной:. Более крупные капли, вероятно, первоначально образуются пу- тем конденсации на больших гигроскопических ядрах.

1,2qs%0,2 О1,2qs%0,2 ОО 0,20,40,60,8 ipО 0,20,40,60,8 ipr=rjnи с. 12. Эффективность столкновений капель радиусом ri с каплями радиусом，2 [109].r=rjnи с. 12. Эффективность столкновений капель радиусом ri с каплями радиусом，2 [109].

1,2

qs

%

0,2 О

1,2

qs

%

0,2 О

О 0,20,40,60,8 ip

О 0,20,40,60,8 ip

r=rjn

и с. 12. Эффективность столкновений капель радиусом ri с каплями радиусом，2 [109].

r=rjn

и с. 12. Эффективность столкновений капель радиусом ri с каплями радиусом，2 [109].

Проблема, родственная рассмотренной выше, — это захват твердых несмачиваемых частиц крупными каплями вследствие различия скоростей оседания. Такие частицы захватываются с гораздо меньшей эффективностью, чем капельки, способные сливаться с захватывающей их каплей [111, 1121. Этот вопрос был теоретически исследован Пембертоном [1131. Он ввел безразмерное число — фактор проникновения, входящий в формулу для условия удержания частицы каплей. Были получены также уравнения движения частицы, движущейся по закону Стокса в поле скоростей, создающемся при безвихревом обтекании сферы. Фактор проникновения определяется выражением

(2.41J

#де 〃 — скорость установившегося движения капли, m — масса частицы, W — полная работа, производимая частицей против сил поверхностного натяжения капли.

• При помощи электронной вычислительной машины Пем- 4ертон решил дифференциальные уравнения движения для ряда значений Z и получил зависимость эффективности за- ^вата от безразмерного параметра частицы.

“ Во всех таких исследованиях эффективность дождя для •вымывания смачиваемых частиц из атмосферы несколько недооценивается. Гринфилд [114] указал, что если в облаках действительно взвешены частицы, то они могут коагулировать с облачными капельками, которые в свою очередь уносятся дождем. Таким образом могут быть удалены даже частицы субмикронного размера.

- Был сделан ряд попыток вызвать дождь из кучевых облаков путем разбрызгивания в них воды или различных водных растворов. Было обнаружено, что разбрызгивание в вершинах таких облаков совершенно неэффективно, особенно если брызги велики, поскольку на каждую каплю- брызгу образуется в лучшем случае одна крупная капля дождя. Как указал Мейсон, этот способ мог бы быть эффективным, если бы возникающие капли дождя разбивались к образовывали новые капельки, которые в свою очередь достаточно велики, чтобы столкновения продолжались. Однако дождевые облака, достаточно толстые для того, чтобы это происходило, обычно дают дождь естественным путем [1 ].

Засевание облаков водой может дать лучшие результаты, если капельки диаметром 〜70 мк вводить в основание растущего облака. Поскольку воздух в такой облачной массе поднимается вверх, рост капель может происходить при их подъеме вместе с растущим облаком, а затем при опускании 』х через воздушную массу. Результаты экспериментов по засеванию облаков, основанных на этой идее, описал Боуэн 4115]. Вода рассеивалась с самолета, снабженного разбрызгивателем, который создавал капли с медианным диаметром около 50 儿к. Облако выбиралось для засева, если оно было растущим и если имелся целый ряд других подобных ему облаков, которые использовались для контроля. Результаты были весьма ободряющими, особенно для облаков, толщина которых во время засева была больше 1,5 к.忆 Другие

эксперименты, проводившиеся в США и над Карибским морем, были менее удачными.

Сходный способ — это замена водяных капелек гигроскопичными частицами. Из таких частиц диаметром в несколько микронов образуются водяные капельки достаточно крупные, чтобы расти путем столкновений. Так как воду обеспечивает содержащийся в облаке водяной пар, то достигается значительная экономия веса. Поскольку капельки рассеивать несколько легче, чем частицы, вместо чистого вещества можно применить концентрированный раствор гигроскопического вещества. Например, при комнатной температуре в 100 весовых частях воды растворяется около 36 частей хлористого натрия. Был проведен ряд экспериментов по засеванию облаков сухим хлористым натрием или его водными растворами. Подводя итоги, можно сказать, что результаты их были обнадеживаютцими, но не вполне убедительными.

Град

Град обычно образуется в больших конвективных грозовых облаках, которые часто появляются над сушей в средних широтах. Условия, благоприятствующие появлению таких грозовых облаков, следующие [1161:

условная и конвективная неусто員чнвость;

обильная влажность на более низких уровнях;

наличие области сильных ветров на нижнем и верхнем уровнях; направление ветров обычно меняется с высотой;

существование механизма, превращающего потенциальную энергию, связанную с неустойчивостью, в кинетическую энергию.

Град обычно связан с грозами, и крупные градины, как правило, образуются только во время гроз. В конвективных грозовых облаках, не образующих молний, обычно возникают только небольшие градины.

Градины имеют диаметры от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Медианный диаметр их около 1,5 см. Сообщалось о падении в Небраске Ill градины диаметром около 14 см, т. е. размером с грейп- фрут.

Град образуется тогда, когда ледяные кристаллы, воз- ййкающие путем конденсации пара описанным выше обра- ；som, становятся достаточно крупными для того, чтобы при оседании они сталкивались с переохлажденными водяными каплями. Лед служит для капель ядром сублимации, и капля замерзает либо мгновенно, либо после растекания по поверхности растущей градины. Термин «оседание» здесь довольно условен, ибо растущая градина может быть окружена быстро поднимающимся воздухом и в действительности сама может подниматься, хотя и не столь быстро, как окружающий воздух и переохлажденные капли.

. Когда градина становится достаточно крупной, она опускается из турбулентной облачной системы и падает на землю. Однако грозы имеют сложную структуру, и по крайней мере некоторые градины могут пройти часть пути к земле, а затем вновь неоднократно подниматься вверх, прежде чем достигнут земли.

Плотность градин сильно меняется: от —0,1 до 0,8 г/см3. Эти колебания связаны со скоростью замерзания. Если соударения переохлажденных капель с растущими градинами происходят при достаточно низких температурах, кйпля может замерзнуть, прежде чем растечется по градине, R образуется рыхлая градина с малой плотностью. При более высоких температурах замерзание может происходить довольно медленно, и образуется градина с высокой плотностью и луковичной структурой.

ЛИТЕРАТУРА

•1- Mason В. J., Clouds, Rain, and Rainmaking, Cambridge.

・Cambridge Univ. Press, 1962.

C a d 1 e R. D., Robbins R. C., Disc. Faradav Soc.,

•:30, 155 (I960).

W о о d с о c k A. H., J. MeteoroL, 10, 362 (1953).

£ KuelmanF., Do in broski N., N ew i t t D. M., Nature, 173, 261 (1954).

霉• M о о r e D. J., Mason B. J., Quart. J. Rov. Meteorol. Soc., 80, 583 (1954).

■•Mason B. J., The Physics of Clouds, Oxford, Clarendon Press 1957.

)• M a s о n B. J.： Nature, 174, 470 (1954).

8. Eriksson E., Tellus, 11, 375 (1959).

10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.J u n g e С. E., Air Chemistry and Radioactivity, New iork. Academic Press, 1963. (Русский перевод: X. Юнге, Химический состав и радиоактивность атмосферы, М., изд-во «Мир», 1965.)

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

Woodcock А. Н., Tellus, 9, 521 (1957).

Neumann G. Н., F о ns е 1 ius S., WahlmanL.,

Int. J. Air Poll., 2, 132 (1959).

Crozier W. D., Seeley В. K., Wheeler L. B.,

Bull. Amer. Meteorol. Soc., 33, 95 (1952).

w о m e у u n g e C. u n g e C. u n g e C. о b a Y., yers H.w о m e у u n g e C. u n g e C. u n g e C. о b a Y., yers H.S., J. Meteorol., 12, 81 (1955).

w о m e у u n g e C. u n g e C. u n g e C. о b a Y., yers H.

w о m e у u n g e C. u n g e C. u n g e C. о b a Y., yers H.

E., Tellus, 5, 1, (1953).

E., J. Meteorol., 11, 323 (1954).

E., Tellus, 8, 127 (1956).

Tellus, 17, 131 (1965).

R., Sievers J. R., Tufts B. J.,

Arti-Arti-ficial Stimulation of Rain, London, Pergamon Press, 1957. J unge С. E., Gustafson P. E., Tellus, 9, 164 (1957).

Arti-

Arti-

Neuberger H., Meeh. Eng., 70(3), 221 (1948).

A m e 1 u n g W., Landsberg H., Bioklimat. Beiblatter,

1, 49 (1934).

23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.Н еS hКбМ е О к Н иР еН еS hКбМ е О к Н иР еPRRPRRaJaJоRоR(1952).n d е Н u I s t Н. С., Light Scattering by Small Particles, New York, Wiley, 1957. (Русский перевод: Г. в а н д е X ю л с т. Рассеяние света малыми частицами, М., ИЛ,(1952).n d е Н u I s t Н. С., Light Scattering by Small Particles, New York, Wiley, 1957. (Русский перевод: Г. в а н д е X ю л с т. Рассеяние света малыми частицами, М., ИЛ,1961.)1 1 m а п п G., Meinardus W., Meteorol. Zs., 19. 180 (1902).a w W. N., Manual of Meteorology, 2nd ed., Cambridge, Cambridge Univ. Press, 1936.p p e n W., Geiger R., Handbuch der Klimatologie, Vol. 1, Part B, Berlin, Gebriider Borntraeger, 1936.i n e I M. P., M e i n e 1 A. B., Science, 142. 582 (1963).i t a T., J. Meteorol. Soc. Japan, 40, 181 (1962).m p h г e у s W. J., Physics of the Air, New York, Dover, 1964.ttersson H., Nature, 181, 330 (1958).t t e r s s о n H., Scientific Amer., p. 123, February, I960, s i n s к i J., Snow R. H., J. Meteorol., 18, 736 (1961). s i n s к i J., Pierrard J. M., J. Atm. Terr. Phys.. 26, 51 (1964).cobs W. C., Compendium of Meteorology, ed. T. F・ Malone, Boston, Mass., Amer. Meteorol. Soc., 1951.gers L. A., Meier F. C., Nat. Geog. Soc. Contrib. Papers, Stratosphere Ser., 2, 146 (1936).г w i n Ch., The Voyage of the Beagle, New York, Bantam Books, 1958. (Русский перевод: Ч. Дарвин, Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль», Изд- во АН СССР, М.—〃.，1941.)г t е 1 A. W., Temple J. W., Ind. Eng. Chem., 44, 857 (1952).1961.)1 1 m а п п G., Meinardus W., Meteorol. Zs., 19. 180 (1902).a w W. N., Manual of Meteorology, 2nd ed., Cambridge, Cambridge Univ. Press, 1936.p p e n W., Geiger R., Handbuch der Klimatologie, Vol. 1, Part B, Berlin, Gebriider Borntraeger, 1936.i n e I M. P., M e i n e 1 A. B., Science, 142. 582 (1963).i t a T., J. Meteorol. Soc. Japan, 40, 181 (1962).m p h г e у s W. J., Physics of the Air, New York, Dover, 1964.ttersson H., Nature, 181, 330 (1958).t t e r s s о n H., Scientific Amer., p. 123, February, I960, s i n s к i J., Snow R. H., J. Meteorol., 18, 736 (1961). s i n s к i J., Pierrard J. M., J. Atm. Terr. Phys.. 26, 51 (1964).cobs W. C., Compendium of Meteorology, ed. T. F・ Malone, Boston, Mass., Amer. Meteorol. Soc., 1951.gers L. A., Meier F. C., Nat. Geog. Soc. Contrib. Papers, Stratosphere Ser., 2, 146 (1936).г w i n Ch., The Voyage of the Beagle, New York, Bantam Books, 1958. (Русский перевод: Ч. Дарвин, Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль», Изд- во АН СССР, М.—〃.，1941.)г t е 1 A. W., Temple J. W., Ind. Eng. Chem., 44, 857 (1952).Wilson R., Roy. Astron. Soc., Occasional Notes, 2, 137

23.

24.

25.

26.

27.

28.

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

23.

24.

25.

26.

27.

28.

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

Н е

S h

Кб

М е О к Н и

Р е

Н е

S h

Кб

М е О к Н и

Р е

PRR

PRR

a

J

a

J

оR

оR

(1952).

n d е Н u I s t Н. С., Light Scattering by Small Particles, New York, Wiley, 1957. (Русский перевод: Г. в а н д е X ю л с т. Рассеяние света малыми частицами, М., ИЛ,

(1952).

n d е Н u I s t Н. С., Light Scattering by Small Particles, New York, Wiley, 1957. (Русский перевод: Г. в а н д е X ю л с т. Рассеяние света малыми частицами, М., ИЛ,

1961.)

1 1 m а п п G., Meinardus W., Meteorol. Zs., 19. 180 (1902).

a w W. N., Manual of Meteorology, 2nd ed., Cambridge, Cambridge Univ. Press, 1936.

p p e n W., Geiger R., Handbuch der Klimatologie, Vol. 1, Part B, Berlin, Gebriider Borntraeger, 1936.

i n e I M. P., M e i n e 1 A. B., Science, 142. 582 (1963).

i t a T., J. Meteorol. Soc. Japan, 40, 181 (1962).

m p h г e у s W. J., Physics of the Air, New York, Dover, 1964.

ttersson H., Nature, 181, 330 (1958).

t t e r s s о n H., Scientific Amer., p. 123, February, I960, s i n s к i J., Snow R. H., J. Meteorol., 18, 736 (1961). s i n s к i J., Pierrard J. M., J. Atm. Terr. Phys.. 26, 51 (1964).

cobs W. C., Compendium of Meteorology, ed. T. F・ Malone, Boston, Mass., Amer. Meteorol. Soc., 1951.

gers L. A., Meier F. C., Nat. Geog. Soc. Contrib. Papers, Stratosphere Ser., 2, 146 (1936).

г w i n Ch., The Voyage of the Beagle, New York, Bantam Books, 1958. (Русский перевод: Ч. Дарвин, Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль», Изд- во АН СССР, М.—〃.，1941.)

г t е 1 A. W., Temple J. W., Ind. Eng. Chem., 44, 857 (1952).

1961.)

1 1 m а п п G., Meinardus W., Meteorol. Zs., 19. 180 (1902).

a w W. N., Manual of Meteorology, 2nd ed., Cambridge, Cambridge Univ. Press, 1936.

p p e n W., Geiger R., Handbuch der Klimatologie, Vol. 1, Part B, Berlin, Gebriider Borntraeger, 1936.

i n e I M. P., M e i n e 1 A. B., Science, 142. 582 (1963).

i t a T., J. Meteorol. Soc. Japan, 40, 181 (1962).

m p h г e у s W. J., Physics of the Air, New York, Dover, 1964.

ttersson H., Nature, 181, 330 (1958).

t t e r s s о n H., Scientific Amer., p. 123, February, I960, s i n s к i J., Snow R. H., J. Meteorol., 18, 736 (1961). s i n s к i J., Pierrard J. M., J. Atm. Terr. Phys.. 26, 51 (1964).

cobs W. C., Compendium of Meteorology, ed. T. F・ Malone, Boston, Mass., Amer. Meteorol. Soc., 1951.

gers L. A., Meier F. C., Nat. Geog. Soc. Contrib. Papers, Stratosphere Ser., 2, 146 (1936).

г w i n Ch., The Voyage of the Beagle, New York, Bantam Books, 1958. (Русский перевод: Ч. Дарвин, Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль», Изд- во АН СССР, М.—〃.，1941.)

г t е 1 A. W., Temple J. W., Ind. Eng. Chem., 44, 857 (1952).

Stanford Researcn nstitute, The Smog Problem in Los Angeles •County, Menlo Park, Calif., 1954.

Haagen-Smit A. J., Bradley С- E., Fox M. M., Ind. Eng. Chem., 45, 2086 (1953).

Magill P. L., Hutchison D. H., S t о г ni e s J. M., Proceedings of the Second National Air Pollution Synipo- .sium, ed. Stanford Research Institute, Menlo Park, Calif.,

1952.

. Cadle R. D., Johnston H. S., Proceedings of the Second National Air Pollution Symposium, ed. Stanford Research Institute, Menlo Park, Calif., 1952.

Stephens E. R., Scott W. E., Hanst P. L., Do- e r r R. C., J. Air Poll. Control Assoc., 6, 159 (1956)； Proc. Amer. Petrol. Inst.t 36, III, 288 (1956).

Stephens E. R., Darley E. F., Taylor О. C., Scott W. E., Int. J. Air and Water Poll., 4, 79 (1961).

H a n s t P. L., Calvert J. G・，J. Ph vs. Chem., 63, 71, 2071 (1959).

Cadle R. D., Schadt C., J. Amer. Cheni. Soc., 74, 6002 (1952).

C a d I e R. D., Magill P. L., AMA Arch. Ind. Hvg. Occ. Med., 4, 74 (1951).

Schuck E. A., Doyle G. J., Report № 29, Air Pollution Foundation, San Marino, Calif., Oct. 1959.

Prager M. J., Stephens E. R., Scott W. E., Ind. Eng. Chern., 52, 521 (I960).

49. A 1 t s h u I 1 e г А. Р.» Bufalini J. J., Photochem. and

Photobiol., 4, 97 (1965).

Renzetti N. A., Doyle G. J., J. Air Poll. Control Assoc., 8, 293 (1959); Intern. J. Air Poll., 2, 327 (I960).

Schuck E. A., Ford H. W., Stephens E. R., Report № 26, Air Pollution Foundation, San Marino, Calif., 1958.

Endow N., Doyle G. J., J о n e s J. L., J. Air Poll. Control Assoc., 13, 141 (1963).

Cadle R. D., Rubin S., Glassbrook С. I., Magill P. L., Arch. Ind. Hyg. Occ. Med., 2, 698 (1950).

Sumi L., С о г к e г у A., Monk man J. L., Atmospheric Chemistry of Chlorine and Sulfur Compounds, Monograph № 3, American Geophysical Union, 1959.

U. S. Public Health Service Publication № 637, GPO, Air Pollution Measurements of the National Air Sampling Network, Superintendent of Documents, Washington 25, D. C., 1958.

Zimmer С. E., T a b о r E. C., Stern A. C., J. Air Poll. Control Assoc., 9, 136 (1959).

Amer. Ind. Hyg. Assoc., Air Poll. Manual, Part I... Evaluation, Detroit, 1960.

N a d e r J. S., О г t m a n G. C., Massey M. T., Amer. Ind. Hyg. Assoc. J., 22, 42 (1961).

C a d 1 e R. D., Wohlers H. C., Air Repair, 1, M 4, 30 (1952).

Cadle R. D., Particle Size, New York, Reinhold, 1965.

Cadle R. D., P о w e г s J.W., Some Aspects of Atmospheric Chemical Reactions of Atomic Oxygen, Paper presented at CACR Symposium, Visby, Sweden, August, 1965.

Gerhard E. R., The Photochemical Oxidation of Sulfur Dioxide to Sulfur Trioxide and Its Effects on Fog Formation, Engineering Experiment Station, Univ, of Illinois, Urbana, Ill, 1953.

Gerhard E. R., J ohnstone H. F., Ind. Eng. Chem., 47, 972 (1955).

Hall T. C., Photochemical Studies of Nitrogen Dioxide and Sulfur Dioxide, Doctoral Thesis, Univ, of California at Los Angeles, 1953.

Leighton P. A., Photochemistry of Air Pollution, New York, Academic Press, 1961.

J u n g e С. E., Ry a n T. G., Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., 84, 46 (1958).

Johnstone H. F., Coughanowr D. R., Ind. Eng. Chern., 50, 1169 (1958).

Rashevsky N., Mathematical Biophysics, Chicago, Univ, of Chicago Press, 1938.

Robbins R. C., Cadle R. D., Eckhardt D. L., J. Meteorol., 16, 53 (1959).

Went F. W., Scientific Amer., p. 63. May, 1955.

J u n g e С. E., Advances in Geophysics, Vol. IV, New York, Academic Press, 1957.

Landsberg H., Atmospheric Condensation Nuclei, Ergebn. Kosm. Phys., 3, 207 (1938) (Leipzig Akademische Verlags- gesellschaft).

Friedlander K., J. Meteorol., 17, 479 (I960).

H i d у G. M., J. Colloid Sci., 20, 123 (1965).

TwomeyS., Severynse G. T., J. Atm. Sci., 20, 392 (1963); 21, 558 (1964).

L a M e г V. K., Ind. Eng. Chern., 44, 1270 (1952).

Schaefer V. J., Demountable Rotating Multicylinders for Measuring Liquid Water Content and Particle Size of Clouds in Above or Below Freezing Temperatures, G. E. Research Lab. Report, Contract № W33-038-AC-9151, 1945.

P a u t h e n i e r H., Brun E., Compt. Rend., 212, 1081 (1941).

Kohler H., Med. Met.-Hydr. Anst. Stockholm, 2. № 5, 58, 96, 106, 189 (1925).

80、Cadle R. D., Particle Size Determination, New York, Inter- science, 1955.

McCullough S., Perkins P. J., Flight Camera for Photographing Cloud Droplets in Natural Suspension in the Atmosphere, NACA Res. Memo E50K01, 1951.

D i e m M., Met. Rundschau, 1, 261 (1948).

Warner J., Newnham T. D., Quart. J. Roy. Meteorol. So&. 78, 46 (1952).

W a r n e r J., Tellus, 7, 449 (1955).

Langmuir I., Science, 112, 35 (1950).

Schaefer V. J-, Science, 104, 457 (1946).

Schaefer V. J., Bull. Amer. Meteorol. Soc., 29, 175 (1948).

Schaefer V. J-, Ind. Eng. Chern., 44, 1381 (1952).

n n e g u t B., J. Appl. Phys., 18, 593 (1947).

j t B., Chem. Rev., 44, 277 (1949). (Русский перевод Геб. «Физика образования осадков», М., ИЛ, 1951.) Р о р р о f f I. G., S h а г р G. W., J. Meteorol., 16, 288 (1959). В i г s t е i n S. J・，Г ' '°" ^-^~ оо

Vo V о

n n е g u

Geophysics Research Paper № 32, Air

94. 影.

96.

霓E

Force Cambridge Research Center, 1954.

P о pp о ff I. G., Robbins R. C., G о et te 1 m an R. C., Bull. Amer. Meteorol. Soc., 39, 144 (1958).

Vonnegut B., Bull. Amer. Meteorol. Soc., 33, 420 (1952).

В i r s t e i и S. J., Bull. Amer. Meteorol. Soc., 33, 431 (1952).

M ii g g e R., in Simposio Internazionale Sulla Fisica della Nu- bi e Relative Applicazioni а!Г Agricoltura, Asti, Italy,

April, 1958, Atti, 1958.-

aufm К a m pe H. J., Weickniann H. K.,

>8, 283 (1951).

J8・ H e a d R. B., Nature, 191, 1058 (1961).

J. Meteorol.,

獄 施. 甫

勲2・

F u к u t a N., Nature, 199, 475 (1963).

FL

P

u к u t a N., J. Atm. Sci., 22, 207 (1965).

anger G., RosinsSci., 20, 557 (1963).

a r u n g о F. P・，L о d

k i J., В e r n s e n

S., J. Atm.

103.

IX-

S04. 醜 %6. 107.

(1965).

a n g m u i г I., General

g е J. P.f J. Atm.

Sci., 22, 309

Electric Research Laboratory First

Quarterly Progress Report, Meteorological Research, 1947.

Simpson R. H., M a 1 k u s J. S., Science, 142, 498 (1963)."-с c •r H., J. Appl. Meteorol.,

108.

M a 1 k u s J. S., Simpson 3, 470 (1964).

R i e h I H., Science, 141, 1001

Simpson R. H., Ma I k us № 6, 27 (1964).

Langmuir I., J. Meteorol.,

(1963).

S., Scientific Amer., 211,

J.

5,

血9.

вод в сб. «Физика образования

175 (1948). (Русский nepe- осадков», M., ИЛ, 1951.)

110.

Hocking L. M., Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., 85, 44 (1959).

P i c k n e t t R. G., in Aerodynamic Capture of Particles, New York, Pergamon Press, 1960.

M с C u 1 1 у C. R., Fisher M., Langer G., R o- s i n s k i J., G 1 a e s s H., W e г 1 e D., Ind. Eng. Chem., 48, 1512 (1956).

Oakes B., in Aerodynamic Capture of Particles, New York,

々 Pergamon Press, 1960.

ПЗ. P e m b e r t о n C. S., in Aerodynamic Capture of Particles, New York, Pergamon Press, I960.

Й4. G г e e n f i 1 d S. M., J. Meteorol., 14, 115 (1957).

Ий. Bowen E. G., Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., 78, 37 (1952).

"6. Newton C. W., Meteorol. Monographs, 5, № 27, 33 (1963).

Глава ///

СТРАТОСФЕРА И МЕЗОСФЕРА

ПРИРОДА СТРАТОСФЕРЫ

Стратосфера — это область атмосферы, расположенная непосредственно над тропосферой (рис. 13). Граничная зона между этими двумя областями, называемая тропопаузой, обычно охватывает узкий интервал высот. Стратосфера — это область почти постоянной или же растущей с высотой температуры, простирающаяся вверх примерно до 50 км. Тропопаузу обычно определяют, исходя из поведения кривой распределения температуры с высотой. Добсон [1 ] дает тропопаузе следующее определение:

«Если стратосфера начинается с резкого перехода от падения температуры с высотой к ее подъему, то тропопауза соответствует высоте, на которой этот переход происходит;

если стратосфера начинается с резкого перехода от быстрого падения температуры с высотой к медленному (ме- нее 2° С/км), то тропопауза соответствует высоте перехода;

если резкий переход отсутствует, то тропопауза соответствует высоте, на которой падение температуры впервые достигает 2° С/юи, при условии, что на несколько больших высотах эта величина не возрастает вновь».

Это определение удобно, но, по общему мнению, искусственно, так как оно приписывает точную высоту тому, что в действительности является протяженной областью. Судя по наблюдениям с самачета за образованием облаков в тропопаузе, она часто имеет слоистое строение.

Температура стратосферы в основном определяется излучением, тогда как температура тропосферы определяется главным образом перемешиванием и конвекцией. В стратосфере, как правило, не бывает грозовых ливней, столь характерных для тропосферы, хотя сильные грозы могут нр。’

никать сквозь тропопаузу в нижнюю стратосферу. Вообще говоря, стратосфера менее турбулентна, чем тропосфера, Хотя при высотных полетах самолетов наблюдалась сильная стратосферная турбулентность. Стратосфера также в целом значительно суше тропосферы. В стратосфере обычны

Рис. 13. Схематическая диаграмма изменения тем пер ату ры воздуха с высотой, основанная на данных Стандартной атмосферы США, 1962 г.Рис. 13. Схематическая диаграмма изменения тем пер ату ры воздуха с высотой, основанная на данных Стандартной атмосферы США, 1962 г.w< ОЕОЗЕдw< ОЕОЗЕд

Рис. 13. Схематическая диаграмма изменения тем пер ату ры воздуха с высотой, основанная на данных Стандартной атмосферы США, 1962 г.

Рис. 13. Схематическая диаграмма изменения тем пер ату ры воздуха с высотой, основанная на данных Стандартной атмосферы США, 1962 г.

w< ОЕОЗЕд

w< ОЕОЗЕд

ветры со скоростью более 250 км/час, а иногда она превышает 600 км/час.

В стратосфере отсутствует крупномасштабная циркуляция, играющая важную роль в глобальном распределении радиоактивных выпадений. Свойства стратосферы, связанные с этой циркуляцией, мы рассмотрим в гл. IV.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ

Вопросами колебания концентрации частиц и распределения их размеров в стратосфере занимались многие исследователи. Розен [2] изучил вертикальное распределение ныли от 0 до 30 км. Подсчет частиц и определение их размеров производились при помощи фотоэлектрического счетчика системы Га к кера и О'Конскн [3]. Он представляет со-

бой микроскоп темного поля, снабженный источником света и фотоумножителем в качестве детектора. Как и обычно в устройствах такого рода, в качестве пробы забирается столько воздуха, что в любой момент в фокусе микроскопа может находиться не более одной частицы. Величина фотоэлектрического импульса является функцией размера частицы и показателя преломления. С выхода фотоумножителя сигнал поступает на двухканальный амплитудный дискриминатор импульсов, отсчеты которого грубо характеризуют как концентрацию частиц, так и их распределение по размерам. По одному каналу производится подсчет всех частиц диаметром более 〜0,$5 жк, по другому ——всех частиц диаметром более 0,75 мк.

Этот прибор дважды поднимался на воздушном шаре (оба раза примерно в 30 км севернее Миннеаполиса) на восходе Солнца. Полученные во время обоих полетов данные указывают на то, что в стратосфере существует максимум концентрации частиц при давлении порядка 0,1 атм, что соответствует высоте 〜16 км. Над этим уровнем концентрация, выражаемая числом частиц на единицу массы воздуха, оставалась почти постоянной, т. е. коэффициент турб\ - лентного перемешивания был почти постоянным. Розен предположил, что профиль (т. е. высотное распределение) концентрации частиц в функции высоты мог быть искажен пылью от извержения вулкана на о. Бали, о котором мы говорили ранее.

Как указывает Розен, если источник частиц находится выше атмосферы, то коэффициент турбулентного перемешивания и распределение по размерам не будут зависеть от высоты. Если же источник находится в нижней атмосфере или на земной поверхности, то коэффициент турбулентного перемешивания и распределение по размерам в стратосфере будут зависеть от высоты. Исходя из этого, Розен приходит к выводу, что источник частиц над максимумом должен быть расположен по крайней мере выше 85 км, и оценивает величину направленного вниз потока частиц диаметром от 0,5 до 2 九к в 4 • 106р т в год на всю поверхность Земли (здесь о ——средняя плотность пылевых частиц).

Юнге, Шаньон и Мэнсон [4] провели теоретические и полевые исследования стратосферных аэрозолей вплоть до высоты 30 км. Юнге [5] изучил вертикальное распределение

9393Распределение размеров частиц

93

93

j^ep Эйткена в верхней тропосфере и стратосфере. При этих Исследованиях применялись поднимаемые на воздушных ^арах счетчики ядер Эйткена, представляющие собой по Существу видоизмененные камеры Вильсона. Конструкция 6加етчнков была такова, что они могли работать вплоть до

2520乃％wk、EQ3/gg2520乃％wk、EQ3/gg55'7107〃〃 W00 "О -4〃 -2°020^Концентрация частиц^см~3℃■₽ и с. 14. Измеренные вертикальные профили концентрации ядер Эйткена и ближайшие по времени и месту профили температуры, ? лол ученные путем зондирования в Де нвере, штат Колорадо, 1959 г. [4].'7107〃〃 W00 "О -4〃 -2°020^Концентрация частиц^см~3℃■₽ и с. 14. Измеренные вертикальные профили концентрации ядер Эйткена и ближайшие по времени и месту профили температуры, ? лол ученные путем зондирования в Де нвере, штат Колорадо, 1959 г. [4].

2520乃％

wk、EQ3/gg

2520乃％

wk、EQ3/gg

5

5

'7107〃〃 W00 "О -4〃 -2°020

^Концентрация частиц^см~3℃

■₽ и с. 14. Измеренные вертикальные профили концентрации ядер Эйткена и ближайшие по времени и месту профили температуры, ? лол ученные путем зондирования в Де нвере, штат Колорадо, 1959 г. [4].

'7107〃〃 W00 "О -4〃 -2°020

^Концентрация частиц^см~3℃

■₽ и с. 14. Измеренные вертикальные профили концентрации ядер Эйткена и ближайшие по времени и месту профили температуры, ? лол ученные путем зондирования в Де нвере, штат Колорадо, 1959 г. [4].

давлений порядка 0,01 атм в широком диапазоне концентраций частиц (от нуля до нескольких сотен частиц!см3). Запись данных проводилась автоматически. Для регист- '{шции числа капелек, возникающих при расширении ка- <деры, Юнге и др. [4] пользовались фотографическим мето- 咽рм. При низких атмосферных давлениях перед расширением 尊амерн давление в ней предварительно повышалось, так Как в противном случае водяные капельки были настолько 価алы, что их трудно было фотографировать.

-'■- Типичные результаты показаны на рис. 14. В целом с увеличением высоты в тропосфере концентрация частиц Задает медленно и немонотонно. В нескольких километрах над тропопаузой концентрация достигает нескольких 1 частиц на 1 см3. Эта величина приблизительно остается

постоянной вплоть до максимальной высоты, достигнутой воздушным шаром. Изучение ряда таких профилей показывает, что низкие концентрации (меньше 1 частиц/см2), по-видимому, более характерны для больших высот, чем концентрации 1—10 частив см3, показанные на рис. 14. Большинство распределений немонотонное. Например, на одном профиле на высоте 8 км существует слой примерно 500 м толщиной с довольно резкими границами. Концентрация частиц в нем примерно на порядок больше, чем не- посредственно выше и ниже слоя. На другом профиле слой такой же толщины находится на высоте 10 км и концентрация в нем приблизительно на порядок величины меньше, чем в тропосфере. Это наводит на мысль о вторжении стратосферного воздуха. Слоистая структура наблюдалась также в нижней стратосфере, но там она не столь выражена, как в верхней тропосфере. Теоретическое истолкование полученных результатов говорит о наличии коагуляционнодиффузионного равновесия и дает для эффективного диаметра частиц значение 0,08 мк, а для коэффициента турбулентной диффузии в тропопаузе 1500 см2/сек.

Юнге и его сотрудники [4] получили также профили вертикального распределения частиц радиусом больше 0,1 мк. Для этой цели был разработан поднимаемый на воздушном шаре прибор для взятия проб воздуха. Твердые частицы собирались из воздуха при помощи струйного импактора. Пробы осаждались на небольшие гуммированные пластинки. Поскольку пропускались последовательно все более и более узкие струи, частицы тем самым распределялись по размерам. Собранные пробы изучались под микроскопом. Результаты, полученные при подъемах воздушных шаров с импакторами, как и результаты, полученные Розеном со счетчиками, указывают на существование в стратисфере максимума концентрации частиц между 16 и 22 к*. Таким образом, профили для частиц радиусом более 0,1 мк совершенно отличны от профилей для ядер Эйт- кена.

Было обнаружено, что на любой данной высоте за период больше года концентрация частиц со временем менялась мало. Распределение по размерам таково, что dN/dr в интервале радиусов 0,1 ——1 мк практически пропорционально 广з. Результаты суммированы на рис 15.

气 Судя по тому, что концентрация частиц радиусом мень- 稣 0,1 мк быстро убывает с увеличением высоты, кажется 碑оятннм, что они в основном тропосферного пронсхсжде- ННЯ・ Маловероятно, что частицы, много меньшие 0,01 лш, 勲Дут существовать в стратосфере самостоятельно в течете долгого времени, ибо они очень быстро коагулируют с (Ьлее крупными частицами.

0 нс. 15. Усредненное распределение по размерам для стратосферных аэрозолей.

Кривая 1а — для нижней стратосферы, 1Ь — для высот более 20 км.

Кривые 2 н 3 ——границы доверительных интервалов.

、Существование максимума концентрации на высотах 上6—22 км для частиц радиусом 0,1——1 мк наводит на мысль о том, что такие частицы могут образовываться в результате химических реакций в стратосфере или тропосфере и последующего роста путем коагуляции.

、Для частиц радиусом больше 1 мк Юнге и др. [4] йолучили мало данных. По-видимому, происходят заметные «хлебания концентрации таких частиц со временем. Время, необходимое для того, чтобы такая частица опустилась с высоты 100 км в нижнюю стратосферу, невелико по сравне- Ш<ю с длительностью метеорологических процессов в стратосфере. Таким образом, весьма вероятно, что эти частицы

внеземного происхождения. Этот вывод согласуется с упомянутым выше выводом Розена, полученным по колебаш1ям концентрации таких относительно крупных частиц с высотой.

Юнге получил и исследовал еще несколько вертикальных распределений ядер Эйткена в стратосфере 15]. При> менялся тот же самый счетчик ядер, что и в предыдущей работе 14]. Полученные им данные (по 7 полетам воздушных шаров) вместе с описанными выше охватывают период с нюня 1959 г. по август 1960 г. Для объяснения своих результатов он предложил следующее уравнение, в котором пренебрегается горизонтальными градиентами и переносом в атмосфере и учитываются только вертикальные:

D 曝— aN — H№—嘰=0,D 曝— aN — H№—嘰=0,(3.1)(3.1)

D 曝— aN — H№—嘰=0,

D 曝— aN — H№—嘰=0,

(3.1)

(3.1)

где D — коэффициент турбулентной диффузии, N ——концентрация ядер, а ——коэффициент вымывания ядер, Н —— коэффициент коагуляции, 〃 一 скорость гравитационного осаждения, z ——высота. Все величины, конечно, выражены в в одной системе.

Первый член дает локальное изменение концентрации частиц в результате турбулентной диффузии. Второй член представляет собой скорость удаления частиц под действием дождя и снега в предположении, что эта скорость пропорциональна концентрации и что коэффициент а не зависит от времени и высоты. В стратосфере он практически равен или близок к нулю. Третий член ——это скорость изменения концентрации, вызванного коагуляцией, а последний член Дает скорость удаления частиц в результате их осаждения. Кроме пренебрежения горизонтальным движением, при выводе этого уравнения принято множество других упрощающих условий. Последние два члена записаны в предпачо- жении, что все частицы одинакового размера, что, конечно, совершенно неверно. Тем не менее такое уравнение полезно Для сопоставления данных и доя демонстрации процессов, влияющих на концентрацию частиц в атмосфере.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

Юнге и его сотрудники провели многочисленные исследования химического состава частиц радиусом 0,1——1 川к.

собранных на высоте 〜20 км. Самые первые результаты были получены при упомянутых выше подъемах импакторов на воздушных шарах [4]. Полный вес собранного вещества был очень мал, примерно 0,08 мкг на одной ступени 第 0,4 мкг на другой.

Образцы исследовались при помощи рентгеновского микроанализатора. Очень узкий пучок электронов фокусиру- ^тся на подвергаемой анализу частице или поверхности. Поверхность флуоресцирует, испуская рентгеновские лучи, дойны волн которых можно определить при помощи чувст- вдтельного рентгеновского спектрометра. Эти длины волн •соответствуют элементам, слагающим исследуемую частицу или поверхность. Таким образом определяются элементы (но не соединения), из которых состоит образец. Электронный пучок создается раскаленной вольфрамовой нитью и электронной пушкой. Пучок фокусируется электронной оптикой, сходной с оптикой электронного микроскопа, и образуется электронный зонд диаметром 1 мк. Образец должен располагаться на проводящей поверхности, чтобы избежать накопления электростатического заряда под действием электронного пучка.

Это устройство очень полезно для отождествления собранных из атмосферы частиц. Юнге и др. [41 собирали пробы на алюминий или на германий, которые должны были быть очень чистыми, чтобы флуоресценция примесей не метала интерпретации рентгеновских спектров. Чистота алюминия была 99,99%, а на одну часть германия приходилось менее Ю^10 части примесей. Этим методом можно произвести анализ всех элементов от алюминия до урана, кроме инертных газов, хотя элементы с атомными весами большими, чем У цинка, трудно обнаружить из-за малой вероятности возбуждения и высокого уровня шумов.

В стратосферных частицах радиусом от 0,1 до 1 мк были обнаружены только кремний, сера и железо, причем только сера была найдена в заметном количестве. Частицы были очень гигроскопичны, можно полагать, это были растворимые соли, возможно сульфаты. Никеля обнаружено не было, это указывает на то, что лишь малая часть собранного вещества была внеземного происхождения. Юнге и др. пришли к выводу, что сульфат — это важная, если не важнейшая составная часть таких частиц. Их работа ничего не говорит 「1275

о природе катиона. Весьма вероятно, что это был натрий или аммоний.

Юнге [6] нашел, что сульфат является важной составляющей в высшей степени чистого тропосферного воздуха. На это указывает тот факт, что образцы льда из центральной части Гренландского ледяного щита содержат сульфата на порядок величины больше, чем других обычных тропосферных составляющих, таких, как хлориды натрия, кальция или калия. По-видимому, этот сульфат оседал из атмосферы и накапливался во льду. Юнге считает, что этот сульфат образуется при окислении сероводорода и сернистого ангидрида, поскольку относительно них известно, что они присутствуют в атмосфере повсеместно. Юнге и др. полагают, что сероводород и сернистый ангидрид попадают в стратосферу у экватора, где они окисляются под действием О2 и солнечного света или же под действием озона.

Как показали Кейдл и Пауэрс [7], атомарный кислород в стратосфере также может быть важным окислителем. Возникающий серный ангидрид начинает быстро реагировать с водяным паром и образовывать серную кислоту, которая, как предполагается, будет участвовать в дальнейших реакциях и образовывать сульфаты. Концентрация газообразных сернистых соединений в тропосфере, по-види- мому, достаточно высока, чтобы это объяснение было приемлемым.

Реакция атомарного кислорода с сернистым ангидридом была исследована в высокоскоростном потоке. В большинстве экспериментов атомарный кислород образовывался пу> тем воздействия на молекулярный азот высокочастотным разрядом и титрования получающегося атомарного азота окисью азота:

N + NOf № + О・ (3.2)

На окончание титрования газа указывало исчезновение послесвечения N2* (свечение Льюиса — Релея) и NO"・ «Поелесвечение воздуха», возникающее при реакции

NO + 0( + М) — NO； (+ М), (3.3) вызывалось добавлением небольшого избытка окиси азота (см. рис. 5). Интенсивность этого свечения пропорцио-

калька концентрации атомарного кислорода. Распределение свечения вдоль трубки, в которой происходит реакция, измерялось при помощи фотоумножителя. Тем самым определялась скорость исчезновения атомарного кислорода в результате реакции с сернистым ангидридом. По полученным данным были рассчитаны начальные скорости и константы скорости реакции. Реакцию атомарного кислорода с сернистым ангидридом можно также довести до конца, пользуясь избыточным количеством сернистого ангидрида, 8 количество сернистого ангидрида, остающегося после реакции, определить методами газовой хроматографии. Константа скорости реакции k определяется затем из интегрального уравнения

也肝二左 fl。"/，(3.4)

где прямые скобки означают концентрацию, а / — время реакции, рассчитанное по скорости потока.

Константы скорости реакции, определенные этими двумя способами, оказались почти одинаковыми, а именно 4,8• 1015 и 3,4-1015 см6/моль2 ^ сек по первому и второму способу соответственно. Как указывалось в гл.II, константа скорости реакции почти не зависит от температуры и сама реакция происходит при тройном соударении

SO2 + О + М -^ SO3 + М.(3.5)

Было обнаружено также, что константа почти одинакова ири М = О2 и при М = №•

【Теперь, если мы знаем значения [О] и [М] в каком-либо объеме атмосферы, мы можем оценить время жизни находящегося в этом объеме сернистого ангидрида для лю- бого момента времени, т. е. вычислить t(SO2 ). Эта величина определяется как

1〔so?]”尸厂

% таким образом, представляет собой время, потребное ДДЯ того, чтобы прореагировал весь сернистый ангидрид, существующий в данный момент, при условии, что реакция является реакцией первого порядка относительно

SO2, a d [SO2]/dZ не меняется со временем. Значения t(SO2) для реакции (3.5) были рассчитаны по первому из двух приведенных выше значений 左；значения [О1 были взяты из [8], а значения [М] для разных высот — из Стандартной атмосферы США 1962 г. [91*.

Таблица 3

Значения 三(SO2) для реакциисернистого ангидрида сатомарным кислородом восновном состоянии

Высота, км

т (SO2), сек

10

15

20

30

50

8,7.10е 1,2-106 2JT05 2,0-104 9,0-104

Результаты, приведенные в табл. 3, показывают, что, хотя концентрация атомарного кислорода в нижней стратосфере известна не очень хорошо, весьма вероятно, что любое количество сернистого ангидрида, достигающее стратосферы, будет окислено очень быстро (примерно за год) по сравнению со временем, необходимым для того, чтобы удаленный сернистый ангидрид был возмещен поступлением из тропопаузы. Таким образом, эта реакция может вносить вклад в аэрозольный сульфат стратосферы. Максимум концентрации сульфатных частиц на высоте около 20 км может быть результатом совместного действия увеличения концентрации атомарного кислорода и уменьшения концентрации сернистого ангидрида с ростом высоты. Возможны, конечно, и другие объяснения.

Относительно концентраций сернистого ангидрида в атмосфере известно немного, если не считать близповер- хностной области. Судя по данным, приводимым Юнге 【10], типичная концентрация над континентами (за исключением мест, близких к источникам загрязнения воздуха) равна 10 мкг/м3, а над океанами 1 мкг/м3. Однако колеба-

Расчет производился по формуле t(SO2) = Л-1 [О]-1 [М]-*1

АНЯ ее велики. Большинство серы в нижней атмосфере на- родится в виде газообразных соединений, основную часть 斗которых составляет сернистый ангидрид.

о Концентрация сернистого ангидрида 1 мкг/м3 при нор- ^дльных температуре и давлении приблизительно соот- д^тствует молярной доле 10~9. Следует заметить, что если молярная доля сернистого ангидрида, поступающего в воз- :両х, имеет такую величину, то реакция (3.5) не будет за- ，летно влиять на концентрации атомарного кислорода или рзона.

. Мартелл [11] полагает, что, хотя сульфаты преобладают 、辞 верхней атмосфере, они вовсе не обязательно обрадуются в стратосфере. Другое объяснение стратосферного сульфатного слоя состоит в том, что сульфаты возникают 多 тропосфере, а слои в стратосфере образуются в результант совместного действия горизонтальных и вертикальных даижений воздуха. Однако при этом мы, по-видимому, ^рего лишь переносим проблему атмосферных химических реакций из одной области атмосферы в другую. Мартелл предложил иное объяснение, а именно что сульфатные частицы эйткеновских размеров медленно перемещаются в стратосферу по вертикали при медленном вертикальном ®бмене воздухом между тропосферой и стратосферой. Со「- Й^асно этой гипотезе, агломерация частиц во время их пе- 駅носа вверх в стратосферу приводит к росту частиц до радиуса 0,1—1 м&; убыль числа частиц в конце концов вызывает уменьшение концентрации над ее максимумом, достигаемым примерно на высоте 20 к" Эту гипотезу можно лроверить, определив концентрации сульфатных частиц в -应)хней тропосфере и стратосфере в функции размеров час-

-ТНЦ и высоты.

Г Другим возможным источником сульфатных частиц явля- Ж>тся вулканические извержения, которые иногда выбра- •вают в верхнюю тропосферу и стратосферу огромные количества сернистых соединений. Однако крупные извержения —события довольно редкие, и, насколько известно автору, за последние пять лет (до начала работ Юнге) та- 触х извержений не было.

г； Фенн, Гербер и Вассхаузен [12], по-видимому, под влиянием работ Юнге измерили количество аммониевых и сульфатных ионов во взвешенных в воздухе частицах над

Гренландским ледяным щитом. Измерения проводились с июня по август 1961 г. в Кемп-Сенчури, примерно в 220 км к востоку от Туле ——базы ВВС США в Гренландии. Концентрация частиц определялась при помощи эйткеновского счетчика ядер и импактора системы Казелла, так что был охвачен диапазон размеров примерно от Ю-3 до 5 мк. Пробы для химического анализа также собирались нмпакто- ром Казелла, который должен был работать в течение 10 час, пропуская 15 л/мин, чтобы собрать пробу, достаточную для этой цели. По-видимому, все пробы были собраны довольно близко к поверхности.

Концентрации крупных частиц, собранных импактором Казелла, колебались от менее 1 до 5 частиц/см3. Фенн полагает, что, поскольку все частицы были собраны на четвертой ступени импактора, диаметр их не может быть больше 1,5 мк. Возможно, что это и так, но импактор Казелла (если только он не модифицирован) имеет тенденцию терять частицы. Вследствие этого большинство частиц могут собираться на последней ступени, даже если имеются и гораздо более крупные частицы.

Концентрация ядер Эйткена была значительно более изменчива и колебалась почти от нуля до 〜1500 частиц!см,^.

Концентрация сульфата была весьма постоянной. В предположении, что диаметр частиц равен 1 мк, а плотность 2 г/см3, концентрация сульфатных частиц была оценена в 〜0,6 частиц/смз. Поскольку средняя концентрация крупных частиц была 1,5 частиц/см3у то в среднем около 40°6 полной массы аэрозолей состояло из сульфатных частиц. Концентрация ионов аммония значительно менялась. Весовое отношение аммониевых ионов к сульфатным изменялось от 1 примерно до 1/30, что можно сравнить со стехиометрическими отношениями 1/2,67 для (NHJ2SO4 и 1/5,3 для (NH4)HSO4. Если источники частиц над Гренландией и в «сульфатном слое» стратосферы одинаковы, то весьма вероятно, что большая доля частиц этого слоя представляет собой сульфат аммония.

Юнге и Мэнсон [13] продолжили исследования стратосферных аэрозолей. Они исследовали образцы, собранные при помощи сбрасываемых стержневых импакторов прп полетах самолетов на высоте 20 км на широтах от 63° ю, ш. до 72° с. ш. с марта по ноябрь 1960 г. Эти исследования

являлись составной частью программы сбора проб на боль- ших высотах, осуществлявшейся Министерством обороны I США. Интерпретация результатов, полученных при иссле- # дованиях на воздушных шарах, затруднена тем, что образцы берутся из небольшого объема воздуха в определенном ? месте и в определенное время, тогда как пробы, собранные по упомянутой программе, были взяты на самых различных широтах северного и южного полушарий. Результаты этих 翼 исследований показали, что сульфатный слой простирается ' над большей частью земного шара (если не над всей Зем- 驾 лей) и постоянен во времени и пространстве. Собранные 脈 частицы были изучены методами рентгеновского микро- :анализа, флуоресценции в рентгеновских лучах, вакуумной спектрометрии и химическими методами. Результаты вновь показали преобладание сульфата и примерно в 4 раза меньшее количество ионов аммония, что соответствует стехио- :метрическому отношению для (NH4)2SO4.

ПЕРЛАМУТРОВЫЕ ОБЛАКА

Другое интересное явление, время от времени происхо' дящее в стратосфере,——это образование перламутровых облаков. Они наблюдаются зимой над Северной Атлантикой и скандинавскими странами на высоте от 25 до 30 кль Вероятно, они состоят из ледяных частиц, концентрация которых порядка нескольких частиц!с^. Они видны только ночью, когда более низкие облака н дымка погружены в

:,тень Земли. Перламутровые облака получили свое на- 'звание из-за красивой переливающейся окраски. По-види- *0 мому, эти облака связаны со стоячими «горными» волнами, ^ возникающими на подветренной стороне горных хребтов. * Такие волны ответственны за образование обычных тро- :f псюферных линзовидных облаков, часто наблюдающихся :：за горными хребтами. Как уже говорилось, облака над Тропопаузой очень редки вследствие крайней сухости стра- Тосферы. Те грозы, которые проникают в стратосферу, ；；Приносят влагу с собой. Эта сухость демонстрируется тем, ：：что самолеты обычно образуют в верхней тропосфере сле- 二 Ды, возникающие при конденсации влаги из выхлопных { тазов двигателей; но в стратосфере следы заметной длитель-

ности возникают редко, так как капли и ледяные кристаллы испаряются почти сразу же после образования.

Мейсон [14] предположил, что перламутровые облака — это линзовидные облака на больших высотах. Когда воздушный поток поднимается над горами, он охлаждается при расширении, температура падает ниже точки росы и образуются линзовидные облака. При возвращении на меньшую высоту после прохождения гребня волны воздух нагревается и облачные капельки испаряются. Таким образом, линзовидное облако представляет собой гребень волны. Мейсон полагает также, что образование высотных волновых облаков маловероятно, если только скорость ветра не увеличивается с высотой. Если это так, то время жизни отдельных облачных частиц может не превышать нескольких минут, хотя сами облака могут существовать гораздо дольше.

Интересно, что в то время, как точка зрения Мейсона означает, что линзовидные облака, в том числе перламутровые, образуются по всему диапазону высот от нижней тропосферы примерно до 30 км, Добсон [1 ] утверждает, что перламутровые облака появляются только в довольно узком интервале высот близ 27 кл. Причина, по которой они обычно наблюдаются только в северных широтах и зимой, вероятно, состоит в том, что только в этих областях и в это время года одновременно выполняются условия, необходимые для конденсации: наличие горного района и достаточно холодная стратосфера.

ПРИРОДА МЕЗОСФЕРЫ

Точно так же как тропопауза является областью, разделяющей тропосферу и стратосферу, стратопауза отделяет стратосферу от мезосферы. Для наших целей достаточно определить стратопаузу как область на высоте примерно 50 км, где подъем температуры с высотой уступает место падению температуры с увеличением высоты. Таким образом, мезосфера определяется как область падения температуры между высотами 50 и 80—85 км. За ней следуют мезопауза и термосфера — область увеличения температуры, простирающаяся по меньшей мере до 200——300 км. Это самая внешняя четко определенная область земной атмосферы.

^ Иногда пользуются иным определением стратосферы и ^езосферы. Стратосфера грубо определяется как почти изо- 11фмическая область над тропопаузой, а стратопауза — как ^ласть, в которой изотермия сменяется ростом температу- 加.В этой системе обозначений область, определенная на- 血 ранее как стратопауза, называется мезопиком.

Для классификации атмосферных областей применялись другие системы. Например, область атмосферы, располо- внная ниже ионосферы, т. е. ниже 60—80 км, называлась ^юкней атмосферой, а сама ионосфера делилась на различие области. Выделялись также экзосфера, озоносфера и

^осфера.

F СЕРЕБРИСТЫЕ ОБЛАКА

好 О концентрации и природе частиц в мезосфере известно фло. Описанные выше результаты Розена [2] говорят о том, что для частиц диаметром больше 〜0,6 мк коэффициент турбулентного перемешивания постоянен от высоты примерно 20 км до неопределенного уровня; вероятно, эта >она простирается и в мезосферу. Частицы, по-видимому,

噸шот внеземное происхождение.

Большая часть из того немногого, что мы знаем о час- пцах, находящихся в этой области, получена при иссле- шваниях серебристых облаков [15—201. Эти облака на- (вдодаются летом в сумерках в высоких северных и южных iix. Они голубоватого цвета и по структуре напоми- жеан, покрытый волнами (рис. 16). Эти облака, по- )му, всегда располагаются в мезопаузе, между мезо- и термосферой, на высоте около 75 к/. Природа ,составляющих эти облака, и механизм образова- лаков долгое время были тайной. Были предложены потезы. Согласно первой, это ледяные облака, обра- еся в результате самозарождения ядер. Эта гипоте- 1,тверждается тем фактом, что мезопауза является ью минимума температуры, и температура там дос- самого низкого значения летом. Вторая гипотеза сдает, что эти облака состоят из нелетучих твердых ;она основывается на корреляции, наблюдающейся *№ду метеорными потоками и появлением облаков. Третья Щютеза заключается в том, что облака состоят из ледяных •咽стиц, которые конденсируются на нелетучих твердых

:•上.р^огРафнн серебристых облаков, полученные в Канак Р J рендтПрэри, провинция Альберта, 4 в Уотсон-Лейк.

Истицах в основном так же, как образуются тропосферные Облака ледяных частиц.

*- Последняя гипотеза получила серьезную поддержку в результате осуществления программы сбора проб при по- фощи коллекторов частиц, поднимаемых на ракетах [18— 勃]. Целью ее был сбор частиц в серебристых облаках, а ^кже в атмосфере на той же высоте в отсутствие облаков. 9充 "

IP и с. 17. Коллекторное устройство для сбора проб частиц в серебристых облаках. Наружный носовой конус надевается на устройст- р во перед запуском и сбрасывается на высоте около 75 км.

Частицы осаждались на поверхности коллекторов, установленных в носовых конусах ракет «Найк-Кейджун» (рис. 17). Применялись коллекторы четырех типов: 1) пленка из нитроцеллюлозы толщиной 200Д с алюминиевым Напылением; 2) пленка из нитроцеллюлозы, окрашенная фуксином; 3) слой индия толщиной 1 мк, нанесенный на Акриловую смолу; 4) кальциевая поверхность, покрытая за・ тцитным слоем парафина и силиконовой смазки. Контрольные участки создавались путем установки примерно над поверхности сбора пластиковой пластинки, отстоящей от

Поверхности на 0,5 мм. Закрытые участки были экранированы от частиц, двигающихся по баллистическим траекто-

риям, но были доступны для малых примесных частиц. Защитный наружный кожух исключал сбор частиц во время подъема ракеты, пока она не достигнет высоты 75 к期. Тогда кожух раскрывался и происходил сбор частиц вплоть до высоты 98 км, где передняя часть ракеты закрывалась вновь. При снижении ракеты пробы не брались. Было проведено четыре подъема ракет, из них два успешных: один в серебристые облака, а другой тогда, когда облаков не наблюдалось. В серебристых облаках было собрано в 102—103 раз больше частиц, чем в периоды их отсутствия, причем частицы эти были твердыми.

Распределение частиц по размерам было экспоненциальным, т. е. число частиц диаметром больше данного менялось по закону kr~P, где р= 3—4. Частиц радиусом меньше 0,05 мк почти не было найдено. Было высказано предположение, что это присуще самим частицам, а не является результатом условий сбора и измерений. Фотографии, сделанные при помощи электронного микроскопа, показывают, что около 20% частиц из серебристых облаков окружены на поверхности сбора ореолами. Это наводит на мысль о том, что частицы были погружены в какое-то вещество, предположительно лед, который позднее испарился (рис. 18). Вокруг частиц, собранных в безоблачной атмосфере, таких ореолов не наблюдалось.

Была сделана попытка анализа частиц методом нейтронной активации. Результаты, по-видимому, указывают на то, что частицы состояли из железа и никеля, что говорит об их внеземном происхождении. Диаметры большинства частиц находились в пределах 0,05—5 冗к, что согласуется с оценками, сделанными по измерениям интенсивности и поляризации рассеянного облаками света.

Витт и Болин [21 ] измерили степень поляризации света, рассеянного серебристыми облаками, и пришли к выводу, что эффективный средний радиус облачных частиц равен 0,10—0,15 мк.

Все эти результаты согласуются с третьей гипотезой. Однако источник необычно высоких концентраций внеземных частиц во время образования серебристых облаков и на соответствующей высоте все еще является загадкой. Келлог [22] указывает, что частица радиусом 0,1 мк может оставаться на высоте 75 км, только если она находится в

воздушном потоке, восходящем со скоростью около 1 м/сек. Qh полагает, что это может быть одной из причин сезонного характера серебристых облаков.

豁 Карлсон [23] предложил простую модель серебристых |Р5лаков. Он полагает, что частицы пыли (например, кос- Ййяеского происхождения) падают сквозь слой атмосферы, который пересыщен водяным паром относительно льда.

碍,碍,■нс. 18. Фотография частиц, собранных в серебристых облаках, 步сделанная под электронным микроскопом.■нс. 18. Фотография частиц, собранных в серебристых облаках, 步сделанная под электронным микроскопом.

碍,

碍,

■нс. 18. Фотография частиц, собранных в серебристых облаках, 步сделанная под электронным микроскопом.

■нс. 18. Фотография частиц, собранных в серебристых облаках, 步сделанная под электронным микроскопом.

Ь

ицы эти покрываются льдом; толщина покрытия опре- вт оптические свойства и «баланс» масс системы. Карл- ■ приходит к выводу, что для поддержания серебристых "даков необходимы направленные вверх течения со ско- 总8Tbю в десятки см/сек.

ВЫХЛОПЫ РАКЕТ

Часто высказывалось мнение, что мезосфера н термосфера могут быть значительно загрязнены выхлопами крупных ракет, подобных тем, которые будут использованы для высадки человека на Луну. Например, система «Нова» для пилотируемых полетов на Луну потребует 1500, 500 и 250 т топлива в первой, второй и третьей ступенях соответственно. Степень загрязнения была полуколичественно исследована Келлогом [22] и Прессманом и др. [24]. Последние пришли к выводу, что при расширении программ космических исследований с применением больших р а кет-носителей в атмосферу будет выброшено достаточно газов и частиц, чтобы вызвать заметные изменения таких параметров, как температура верхней атмосферы, электронная концентрация и интенсивность свечения ночного неба. Келлог пришел к совершенно иному выводу. Он полагает, что любые изменения, не превышающие естественных флуктуаций, должны быть несущественными. «Маловероятно, — утверждает Келлог, — что ракеты сильно повлияют на аэрозольный балласт верхней атмосферы, который, повидимо- му, очень велик, за исключением, быть может, локальных и кратковременных изменений». Он подчеркивает далее, что даже разреженная верхняя атмосфера весьма массивна и быстро очищается от попадающего в нее нового вещества.

ЛАЗЕРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ

Возможность изучения состава верхней атмосферы при помощи лазерного зондирования интересовала многих исследователей. Например, Янг [251 сделал расчеты, которые показывают, что лазер может быть применен для зондирования верхней атмосферы с целью определения высоты и плотности ее метастабильных составляющих. Этот метод можно использовать также для геофизических исследований полярных сияний, свечения ночного неба, явлений, связанных с солнечными вспышками, и метеорных следов.

Фьёкко и Смаллин [26] при помощи лазерного зондирования обнаружили в верхней атмосфере рассеивающие слои. Их оборудование состояло из рубинового лазера (создающего импульсы длительностью примерно 50 нсек,

даергией 0,5 дж и длиной волны 6940 А), передающего и 1фиемного телескопов, фотометра с интерференционным фильтром (с шириной полосы пропускания 20 А) н охлаждаемым фотоумножителем EMI 9558 Д. Эксперименты про- Водились в июне—июле 1963 г. в Лексингтоне, штат Массачусетс.

Релеевское молекулярное рассеяние было отмечено вплоть до высот 50——60 长初,а с высот до 140 км были получены очень слабые отражения, которые были приписаны взвешенным в воздухе частицам. Эти отражения приходили из двух основных областей: 60——90 км (чаще всего с высоты примерно 80 км, соответствующей мезопаузе) и ПО— МО км (часто с высоты примерно 120 км). Значительный датерес представляет то обстоятельство, что более низкое егражение (80 кл) приходит приблизительно с высоты серебристых облаков. Возможно, что высокие отражения (120 км} соответствуют области разрушения метеорных тел. Фьёкко и Коломбо [27] развили гипотезу о том, что существование рассеивающего слоя в термосфере на высоте от 110 до 140 敢九 вызвано дроблением метеорных тел, и разработали модель такого дроблен ия. Они предположили, что при полете через атмосферу площадь поперечного сечения метеорного тела вследствие прогрессирующего дробления увелн- чивается. Таким образом, атмосфера действует как фильтр, и среднее распределение размеров микрометеорных тел будет меняться с высотой*. Фьёкко и Коломбо добавили свою оценку притока внеземного вещества к длинному ряду сделанных до ннх подобных оценок. Они полагают, что полный приток внеземного вещества на Землю составляет .6-104 т в сутки. Фьёкко [28] показал, что существует заметная корреляция между появлением лазерных отражений и возникновением таких ионосферных явлений, как Спорадический слой Е. Он пришел к выводу, что эту корреляцию можно рассматривать как добавочное свидетель-

t * По измерениям яркости дневного неба, проведенным на зондирующих ракетах, А. Е. Микиров (Space Res., 7/2, 1432, 1967) на- 血вл, что средний радиус частиц имеет максимум 0,53 мк на высоте 120—160 км. Ниже 100 км радиус резко уменьшается и на высоте

км равен 0,19 мк. Выше максимума происходит постепенное умень- ^енне среднего радиуса частиц и на высоте 〜450 км он равен 藤.175 мк. — Прим, перев.

ctbo в пользу того, что лазерные отражения вызываются приходом внеземных частиц и что с этим же иногда может быть связан спорадический слой Е, хотя свойства частиц, вызывающих эти два явления, могут быть различными. Фьёкко подчеркивает, что положительная корреляция была установлена только по одному ряду наблюдений, полученных в период высокой метеорной активности.

В этой связи представляют интерес серьезные разногласия ,существующие относительно происхождения паров натрия в атаосфере. Натрий был отождествлен по его излучению в свечении ночного неба. Максимум концентрации его приходится, по-видимому, на высоту около 80 км. Источниками натрия обычно считают метеорные тела или морскую соль. Хантен [291, например, опубликовал результаты измерений сумеречного свечения натрия, калия н лития, которые позволили оценить количество атомов этих элементов и детально изучить их вертикальное распределение. Отношение натрий/калий говорит о морском происхождении этих атомов. Концентрации лития меняются спорадически, что говорит о внеземном источнике этого элемента.

ЛИТЕРАТУРА

2.3.4.5.6.7.&2.3.4.5.6.7.&10.10.Dobson G. M. В., Exploring the Atmosphere, Oxford, Clarendon Press, 1963.

2.3.4.5.6.7.&

2.3.4.5.6.7.&

10.

10.

Rosen J. M., J. Geophys. Res., 69, 4673 (1964).

G u с к e г F. T., O'Ko ns к i С. T., Chern. Rev., 44, 373 (1949).

J u nge С. E., ChagnonC. W., MansonJ. E., J. MeteoroL, 18, 81 (1961).

Junge С. E., J. Meteorol., 18, 501 (1961).

J u n g e С. E., J. Geophys. Res., 65, 227 (I960).

Cadle R. D., Powers J. W., Some Aspects of Atmospheric Chemical Reactions of Atomic Oxygen, Paper presented at CACR Symposium, Visby, Sweden, August, 1965.

Miller L. E., Atmospheric Composition, tn Handbook of Geophysics, 2nd ed., New York, Macmillan, 1960,

U. S. Standard Atmosphere, Superintendent of Documents, U. S. Government Printing Office, Washington, D. C., 1962.

J u n g e С. E., Air Chemistry and Radioactivity, New York. Academic Press, 1963. (Русский перевод: X. Юнге. Химический состав и радиоактивность атмосферы, М., изд-во《Мнр», 1965.)

Martell Е. A., Paper presented at CACR Symposium on

Atmospheric Chemistry, Circulation, and Aerosols, Visby, Sweden, August 18—25, 1965.

Fenn R. W., Gerber H. E.t Wasshausen D_. J. Atm. Sci., 20, 466 (1963).

J u n g e С. E., Manson J. E., J. Geophys. Res., 66, 2163

(1961).

14.14.15.16.15.16.Mason B. J., Clouds, Rain, and Rainmaking, Cambridge, Cambridge Univ. Press, 1962.

14.

14.

15.

16.

15.

16.

W i t t G., Tellus, 14, 1 (1962).

L u d 1 a m F. H., Tellus, 9, 341 (1957).

Hesstvedt E., J. Geophys. Res., 66, 1985 (1961).

Hemenway C. L., Soberman R. K., Astron. J., 67, 256 (1962).

Soberman R. K., Scientific Amer., 208, № 8, 50 (June,

1963).

20.20.Skrivanek R. A., Soberman R. K., in Cosmic Dust, Ann. New York Acad. Sci., 119, Art. 1, 98 (1964).

20.

20.

Witt G., Bolin B., Paper presented at CACR Symposium on Atmospheric Chemistry, Circulation, and Aerosols, Visby, Sweden, August 18—25, 1965.

Kellogg W. W., Space Sci. Rev., 3, 275 (1964).

Charlson R. J., Paper presented at CACR Symposium on Atmospheric Chemistry, Circulation, and Aerosols, Visby, Sweden, August 18—25, 1965.

24.24.Pressman J., Tank W., Connell J., Brown H. K., Reidy W., D a 1 g а г п о A., Millman S., W а г п e с к P., Modification of the Earth's Upper Atmosphere by Missiles, Final Report, Contract 5 D-l 12, Geophysics Corporation of America Report № 62-18-G Bed- ford. Mass., 1962.

24.

24.

YY25.25.-о u n g R. A., Disc. Faraday Soc., 37, 118 (1964).

Y

Y

25.

25.

26.26.F i о с с о G., S m u 1 1 i n L. D., Nature, 199, 1275 (1963). 27. F i о с с о G., Colombo G., J. Geophys. Res., 69, 1795

26.

26.

一 一 (1964).

F i о с с о G., J. Geophys. Res., 70, 2213 (1965).

H u n t e n D. M., Paper presented at CACR Symposium on Atmospheric Chemistry, Circulation, and Aerosols, Visby, Sweden, August 18—25, 1965.

РАДИОАКТИВНЫЕ ВЫПАДЕНИЯ

МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯРАДИОАКТИВНЫХ ВЫПАДЕНИЙ

Воздушные взрывы

Если не считать нескольких отдельных случаев, можно сказать, что опасность ядерного излучения взвешенных в воздухе частиц представляет собой новейшее явление. Это началось с первого искусственного ядерного взрыва в Аламогордо (Нью-Мексико) в 1945 г.

В основном такое излучение связано не с газами, а с частицами. Частицы по своему размеру варьируют от мельчайших (диаметром в несколько А) до выбрасываемых из кратеров валунов. Радиоактивные частицы удобно классифицировать по механизмам их образования.

А. Образование частиц при пред намеренны х ядерных взрывах

Ядерные устройства.

Подземные и наземные взрывы в силикатных породах.

Подземные и наземные взрывы в коралловых (карбонат кальция) породах.

Наземные и подводные взрывы.

Воздушные взрывы.

Термоядерные устройства.

г) Как в пункте 1.

«Чистое» оружие.

«Грязное» оружие.

Б. Случайное образование частиц

Выход реактора из-под контроля.

Повреждение реактора.

Случайная детонация ядерного оружия.

Основные принципы ядерных и термоядерных реакций уже были подробно описаны в литературе [1—3], и повторять их здесь нет нужды.

Рассмотрим сначала механизм образования частиц при взрывах ядерных устройств. Такие взрывы образуют множество нуклидов ——продуктов деления, которые несколько варьируют по составу в зависимости от делящегося вещества (уран-235, уран-238, плутоний-239) и скорости нейтронов. Большинство продуктов деления по атомному весу принадлежит к двум группам. Одна группа имеет максимум распространенности при атомном весе, приблизительно равном 95, а другая —приблизительно при 140 [2].

Продукты деления, возникающие при ядер ном взрыве, можно отнести к двум категориям, а именно: к продуктам, образующимся непосредственно при делении, или первичным продуктам, и вторичным продуктам, образующимся при распаде первичных. Эти вторичные, или дочерние, продукты состоят из нуклидов, которые возникают на различных этапах радиоактивного распада ряда первичных продуктов. Поскольку эти первичные нуклиды могут при обычных температурах находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии н обладать периодами полураспада от долей секунды до тысяч или миллионов лет, свойства радиоактивных рядов в значительной степени влияют на конденсацию нуклидов при охлаждении продуктов деления, которое следует за взрывом. Примером является ряд

16 сек 66 сек 12,8 сут

“Хе140 —> 55csi40 一 5再砂40 ^ Mal40 f

->б8Се140 (стабильный).

Так как ксенон — газ, то он не может конденсироваться, но твердые продукты, образующиеся при его распаде, будут конденсироваться либо совместно с другими продуктами деления и осколками бомбы, либо на уже существующих частицах. Такая «запоздалая» конденсация может привести к фракционированию. Оно представляет собой изменение отношения количества первичного нуклида (или его Дочерних нуклидов) к количеству одного или нескольких других нуклидов по сравнению с тем отношением, которое существовало непосредственно после взрыва.

Радиоактивные нуклиды возникают не только при делении, но н при захвате нейтронов стабильными нуклидами.

Нейтроны возникают в процессе деления, и захват их ведет к образованию новых видов ядер ——так называемых составных, находящихся в сильно возбужденном состоянии. Эта энергия возбуждения может быть высвобождена в виде у-излучения. В результате захвата нейтрона могут быть также выброшены заряженные частицы. Особенно распространенной является реакция с азотом

7N14 + o«* — el + iHL

Нижние атомный реакцииНижние атомный реакции6а — ?№4 + 一遇О.6а — ?№4 + 一遇О.индексы означают атомный номер, верхние — вес. Углерод-14 радиоактивен м распадается по

Нижние атомный реакции

Нижние атомный реакции

6а — ?№4 + 一遇О.

6а — ?№4 + 一遇О.

Нейтроны могут также реагировать с различными веществами, входившими в состав оболочки бомбы, и образовывать при этом новые нуклиды.

Состав смеси продуктов деления для ядерных взрывов различного типа и для различных промежутков времени после взрыва был рассчитан целым рядом исследователей [4—7], начиная с Хантера и Белу (1951 г.).

Большинство взрывов является результатом внезапного мощного освобождения газов. Первоначально газы могут быть холодными, например кота лопается воздушный шар или разрушается перегородка в ударной трубе, либо могут очень быстро нагреваться в самый момент их возникновения. В последнем случае мощность взрыва значительно возрастает.

Химические взрывы представляют собой освобождение газообразных продуктов взрыва, нагретых выделившейся химической энергией. Энергия ядерных взрывов возникает вследствие превращения массы в энергию. Это возможно благодаря тем особенностям, которыми обладает последовательность известных элементов, расположенных по атомному весу. Для нуклидов, занимающих в этой последовательности среднее положение, масса, приходящаяся на каждый протон и нейтрон, меньше, чем у таких нуклидов, как U235 или Н1, расположенных близ концов ряда. Это является следствием большой энергии связи протонов и нейтронов в нуклидах, занимающих среднее положение. Таким образом при расщеплении или делении такого ну к-

лида, как уран-235, освобождается энергия; к этому же приводит и соединение очень легких нуклидов в более тяжелый.

Взрыв термоядерного оружия, так называемой водородной бомбы, мощностью в несколько мегатонн тротилового эквивалента детонируется ядерным взрывом, в основе которого лежат процессы деления. Таким образом, и в этом случае образуются продукты деления, в основном так же, как при взрыве менее мощных ядерных (атомных) бомб.

Когда взрывается ядерная или термоядерная бомба, за очень короткий промежуток времени освобождается огромное количество энергии. Продукты деления и осколки оболочки бомбы приобретают температуру, сравнимую с температурой в центре Солнца, т. е. несколько десятков миллионов градусов. При этом они полностью испаряются. Более того, поскольку эти газы в момент взрыва занимают тот же объем, что и невзорвавшаяся бомба, при взрыве развиваются огромные давления. Вероятно, они достигают миллиона атмосфер.

Эти крайне горячие газы излучают большое количество энергии в далекой коротковолновой области спектра, преимущественно в рентгеновской. Окружающий воздух сильно поглсщает излучение этих длин волн, и образуется очень горячий и очень яркий огненный шар.

Реальный процесс протекает в основном следующим образом [1 ]. Излученный фотон поглощается атомом, молекулой или ионом, которые переходят в состояние с высокой степенью возбуждения. Когда они затем возвращаются в основное состояние, излучается фотон, имеющий ту же частоту, что и поглощенный. Можно считать, что это тот же -самый фотон. Излученный фотон будет, вообще говоря, двигаться в направлении, отличном от первоначального, пока он в свою очередь не будет поглощен и переизлучен вновь. Результатом всего этого является «случайное блуждание» фотона. Радиация распространяется от точки взрыва со скоростью, значительно меньшей скорости света.

На ранних этапах расширения возникших при взрыве газов средняя длина свободного пробега фотонов велика по сравнению с диаметром объема расширяющегося газа. Энергия быстро перераспределяется внутри объема через излучение, и в объеме поддерживается однородная темпе-

ратура. Область, занятая огненным шаром на этом этапе, называется изотермической сферой. Если окружающий воздух имеет заметную плотность, т. е. если высота не слишком велика, излучение, испускаемое изотермической сферой, поглощается окружающим воздухом, который становится очень горячим.

Пока происходят все эти процессы, образуется ударный фронт. Испаренные продукты взрыва под действием очень высоких давлений с силой расширяются. За несколько микросекунд образуется оболочка из испарившихся осколков бомбы, которая расширяется со скоростью в несколько сотен км/сек. Ее начальная температура порядка 106℃. Расширяющаяся оболочка действует как поршень: она дает начало волне сжатия, которая быстро превращается в ударный фронт.

Пока средняя длина свободного пробега излучения в горячем газе достаточно велика для того, чтобы передача энергии излучением шла быстрее движения масс, ударный фронт отстает от расширяющейся поверхности огненного шара. Однако по мере того, как огненный шар расширяется и температура внутри него падает, средняя длина свободного пробега уменьшается как в абсолютных величинах, так и относительно размеров огненного шара. Ударный фронт догоняет расширяющийся фронт излучения и движется впереди него. К этому времени температура падает примерно до 300 000° С. При взрыве мощностью 2 0 кт это наступает примерно через 0,1 мсек после взрыва. Под действием расширяющегося ударного фронта воздух сжимается и нагревается, раскаляясь добела. Огненный шар теперь состоит из двух концентрических частей. Внутренняя часть по-прежнему изотермическая и окружена внешней оболочкой, образованной ударной волной. Температура внешней оболочки несколько ниже температуры изотермической сферы.

По мере роста огненного шара со скоростью, определяемой скоростью распространения ударного фронта, температура его падает. Сначала раскаленный воздух непрозрачен, но в конце концов внешняя часть огненного шара охлаждается и становится достаточно прозрачной, так что раскаленная изотермическая сфера вновь становится видн- мой. Это явление называется срывом. После этого момента ви-

димый огненный шар (все еще определяющийся радиусом охваченного ударной волной объема) продолжает расти, но уже более медленно (рис. 19).

Температура внутренней части огненного шара непрерывно уменьшается, но видимая температура поверхности сначала проходит через минимум, затем через максимум и

200100 806020200100 806020加一，，〃尸，一 "产，."，，一 Зррма пос ле взрыва, секр н с. 19. Изменение со временем радиуса огненного шара для взрыва с энергией 20 кт [1].加一，，〃尸，一 "产，."，，一 Зррма пос ле взрыва, секр н с. 19. Изменение со временем радиуса огненного шара для взрыва с энергией 20 кт [1].5 - саив SCXIWSO 多君史5 - саив SCXIWSO 多君史

200

100 80

60

20

200

100 80

60

20

加一，，〃尸，一 "产，."，，一 Зррма пос ле взрыва, сек

р н с. 19. Изменение со временем радиуса огненного шара для взрыва с энергией 20 кт [1].

加一，，〃尸，一 "产，."，，一 Зррма пос ле взрыва, сек

р н с. 19. Изменение со временем радиуса огненного шара для взрыва с энергией 20 кт [1].

5 - саив SCXIWSO 多君史

5 - саив SCXIWSO 多君史

лишь после этого начинает, наконец, монотонно уменьшаться. Это явление для 20-килотонной бомбы показано на рис. 20. Такое поведение видимой температуры поверхности является результатом того, что в момент срыва излучение изотермической области начинает проникать через наружную поверхность огненного шара. По мере того как внешние части огненного шара охлаждаются и становятся более прозрачными, это проникновение происходит во все большей и большей степени. На рис. 20 показано также расхождение между наблюдаемой температурой, определяемой по измерениям поверхностной яркости, и температурой, рассчитанной по скорости ударной волны. Это различие обусловлено ослаблением излучения между внешней поверхностью огненного шара и наблюдателем, которое вызвано различными соединениями, например двуокисью азота.

Температура, конечно, играет очень важную роль в образовании радиоактивных частиц при ядерных взрывах. Несколько менее очевиден тот факт, что важен также и

характер изменения температуры со временем. Одна из причин состоит в том, что время, прошедшее до начала конденсации, представляет собой важный фактор, определяющий величину фракционирования. Время, необходимое для наступления различных событий, описанных выше,

Р н с. 20. Изменение со временем видимой температуры поверхности огненного шара для взрыва с энергией 20 кт [1].Р н с. 20. Изменение со временем видимой температуры поверхности огненного шара для взрыва с энергией 20 кт [1].

Р н с. 20. Изменение со временем видимой температуры поверхности огненного шара для взрыва с энергией 20 кт [1].

Р н с. 20. Изменение со временем видимой температуры поверхности огненного шара для взрыва с энергией 20 кт [1].

является функцией энергии взрыва. Эти функции называются масштабными соотношениями. Например, масштаб- ное соотношение для времени наступления теплового ми- нимума можно представить приближенным выражением

%П = 0,0025 昭 ％,%П = 0,0025 昭 ％,(4.1)(4.1)

%П = 0,0025 昭 ％,

%П = 0,0025 昭 ％,

(4.1)

(4.1)

где ^min — время в секундах, a W ——энергия в килотоннах тротилового эквивалента. Аналогично время наступления

максимума температуры при воздушном взрыве дается выражением 0,032步'％ . Минимальная и максимальная температуры излучения почти не зависят от энергии взрыва. Фрейлинг [8] дает следующее масштабное соотношение для максимальной температуры:

Ттах ^вэоои/-0,03-(4.2)

Точки кипения многих металлов и их окислов находятся близ 2500—3000° С. Так как давление их паров быстро падает с уменьшением температуры, можно ожидать, что продукты деления и другие испарившиеся осколки бомбы будут конденсироваться, когда температура огненного шара уменьшится до этих значений. Согласно Фрейлингу, температура падает до 33001^~°'03° К за время 15fmax・

Когда взрыв воздушный, т. е. когда взрыв происходит ниже 30 кл, но достаточно высоко, чтобы огненный шар не касался земной поверхности, выпадения сначала состоят практически только из продуктов деления и других осколков бомбы, но быстро агломерируют с частицами естественных аэрозолей. Первым этапом образования выпадений, когда огненный шар охлаждается до степени, достаточной для того, чтобы в нем возникло пересыщение, является образование ядер конденсации. Это означает образование устойчивых скоплений атомов или молекул. Оно непосредственно сопровождается конденсацией пара на ядрах. Когда образуется большое число капель, может произойти их •• коагуляция.

； Мэги [9] разработал теорию образования частиц, применимую к воздушным взрывам. В ней рассматривается в основном образование ядер и конденсация. Теория приводит к уравнению для распределения размеров частиц

n (г) dr = ? exp (― ,) dr,(4.3)

где пт ——полное число частиц, аг' — средний радиус частиц. Согласно этой теории, г' есть отношение радиальной скорости роста частицы к скорости изменения логарифма частоты образования ядер.

Другая теория была разработана Стюартом [10], который рассмотрел коагуляцию н конденсацию частиц. Он при-

шел к логарифмически-нормальному распределению

п (г) d (In г)=п (г) d (In г)=^^ exp j—!(ln ~F)]d(lnr),(4.4)

п (г) d (In г)=

п (г) d (In г)=

где r ——модальный радиус, определяемый уравнением

(4.5)(4.5)—'5 刈厶 / k V/2

(4.5)

(4.5)

C - Дn ( 2式m4丿*

Здесь

>в ——молекулярный объем в жидкой фазе,

N。一 начальное число атомов на единицу объема, Тс — абсолютная температура в момент конденсации, ?< = 4 4779可(=3.10-9), ”——вязкость воздуха, n — концентрация ядер, k — постоянная Больцмана,

m ——масса молекулы, Л = 7500° К・

Стюарт пришел к выводу, что модальный диаметр частиц для воздушных или высоких наземных взрывов равен примерно 0,2 мк. Он исходил из радиуса огненного шара 150 м и содержания железа в нем 25 ш. Весьма маловероятно, что частица достигнет диаметра в несколько сот микронов за то короткое время, пока происходит ее рост.

Фрейлинг сравнил уравнения Мэги и Стюарта с экспериментальными данными о размерах частиц при воздушных взрывах. В диапазоне размеров, для которого получены надежные данные, они довольно хорошо согласуются как с уравнением Мэги, так и с уравнением Стюарта. Получены следующие значения для параметров: 〃丁= 1,86-106 и г = 0,072 мк (Стюарт); пт= 2195 и г' = 1,8 мк (Мэги).

Фрейлинг полагает, что фракционирование, возникающее в результате взаимодействия радиоактивных продуктов деления (радионуклидов) с растущими частицами, можно рассматривать двояко: во-первых, вводя в рассмотрение показатель фракционирования, равный «отношению количеств двух максимально различающихся радионуклидов», и, во-вторых, изучая поведение промежуточных продуктов. Так как показатель фракционирования отражает большие* различия в свойствах нуклидов, принадлежащих к двум

радиоактивным рядам, его, по-видимому, можно представить при помощи очень простого приближения. Это прибли* жение состоит в том, что содержание в частицах нуклидов с высокой точкой кипения пропорционально объему частиц (или d3), а содержание летучих радионуклидов пропорционально поверхности частиц (или d2). При этом мы исходим из предположения, что большая часть вещества бомбы конденсируется и затвердевает до того, как сконденсируются более летучие нуклиды, и что частицы взвешены в парах в течение всего ■ периода конденсации.

Показатель фракционирования для частиц определенных размеров был вычислен для распределений Мэги и Стюарта с использованием упомянутых выше экспериментальных данных о размерах частиц. Он оказался равным lg(0,18r) и Ig(l,lr) соответственно. Если справедливо первое выра- жение, то наблюдаемая степень фракционирования определяется частицами радиусом 100 九к. Фракционирование некоторых промежуточных пар радионуклидов можно проанализировать таким же образом, но для других пар требуется более детальное рассмотрение. Фрейлинг его не проводил, но указал, что в этом случае, возможно, следует учесть столкновения между растущими частицами и испарившимися продуктами деления, «приводящие к внедрению продуктов деления в вещество частицы с определенной эффективностью (коэффициентом аккомодации) н с определенной вероятностью ускользания». Возможно, необходимо ввести и такие уточнения, как учет газовой диффузии и диффузии в частице, а также разработать теорию конденсации, учитывающую истощение летучих веществ по мере хода конденсации и неоднородное развитие огненного шара.

Фрейлинг проверил эти соображения по данным радиохимических анализов образцов, собранных после целого ряда воздушных взрывов, энергия которых различалась в несколько сотен раз. За показатель фракционирования было принято отношение полного содержания Sr89 в образце к полному содержанию Zr95. Стронций -89 образуется в результате ряда радиоактивных распадов

4 4 сек 3,2 сек 15 мин 51 сут3#产 一> 36КГ89 ——> 3?Rb89 —-> s8Sr88 -—> .-.,

а цирконий-95 в результате ряда

быстрыйбыстрый 0,7 мин10 мин

з6к产 ——> 3,Rb，，5 ——^ 38Sr95 -—- 39Y95 ——>

распадраспад

65 су т

-> 40Zr95> ....

Все члены этих рядов являются р-излучателями; переход от одного члена к другому осуществляется путем испускания одного электрона, что увеличивает атомный номер на единицу. Нуклиды, предшествующие Sr89 (в основном криптон), находятся в газообразном состоянии в те- чение гораздо большего времени, чем необходимо для остывания огненного шара до температур, при которых происхо- Дит конденсация. Таким образом, это «летучий» нуклид, тогда как все нуклиды, предшествующие Zr95, твердые, если не считать крайне короткого промежутка времени сразу же после взрыва. Величина отношения Sr8VZr95 меняется примерно в 100 раз. Были построены также графики логарифмов других отношений содержаний радионуклидов в функции этого показателя. Изучая эти графики, Фрейлинг пришел к следующим качественным выводам:

у относительных летучестей, определенных по этим данным и данным для мощных наземных взрывов, наблюдаются как сходство, так и различия. Вероятно, это отражает идентичность совокупности нуклидов н различия в веществе-носителе;

в порядке убывания летучести нуклиды располагаются следующим образом: Cs137, Sr89, Cs136, Cd115, нуклиды U и Ag, Ba140, Y91, Се141, Mo", нуклиды Pu и редкоземельных элементов, нуклиды Zr.

Обзор физики, химии и метеорологии выпадений был сделан Бьёрнерштедтом и Эдварсоном [11]. Они утверждают, что при «разумных» концентрациях паров в огненном шаре при взрыве мощностью 20 кт возникают распределения частиц с медианным диаметром менее 1 мк. Однако скорость роста частиц увеличивается со временем, так что можно ожидать, что медианный диаметр будет увеличиваться с увеличением энергии взрыва.

Наземные взрывы

Ядерный взрыв, при котором огненный шар касается поверхности, можно рассматривать как наземный взрыв. Некоторые авторы проводят различие между наземным взрывом и башенным взрывом, когда экспериментальное устройство, обычно малой мощности, взрывается на вершине башни. Однако это различие довольно искусственно.

Мощная тепловая энергия наземного взрыва испаряет почву и другие вещества в окрестности. Эти пары заполняют бгненный шар. Согласно [11, если на испарение тратится 1% энергии взрыва в 1 Мт, то в огненный шар попадает около 4000 т испаренного грунта.

Подъем огненного шара и фаза разрежения ударной волны создают мощный ветер, направленный внутрь огненного шара. Он поднимает огромное количество аэрозольного вещества, перенося его внутрь огненного шара, и образует кратер. Кратерообразование может происходить также вследствие разломов горных пород и плотных грунтов ударной волной. Двигаясь вниз, ударная волна как бы «сцепляется» с грунтом. Фаза разрежения ударной волны, а также составляющие волны, отраженные назад к поверхности от крупных неоднородностей в верхних слоях земной коры, содействуют разрыхлению грунта.

Размеры кратера сильно меняются с энергией взрыва, высотой его над поверхностью и природой грунта или горных пород. «Считается, что взрыв бомбы в 1 Мт не создает заметного кратера, если взрыв происходит на высоте, превышающей 135 м» [1].

Действие взрывов на воде или над водой сходно с действием взрывов над грунтом. Большие количества воды испаряются и вовлекаются в огненный шар. Кроме того, еще некоторое количество воды может быть снесено напором воздуха. Если взрыв происходит над океаном или другим бассейном соленой воды, соли испаряются и в конечном счете становятся частью выпадений.

Образование выпадений при охлаждении огненного шара наземного взрыва, по-видимому, гораздо более сложное явление, чем при воздушном взрыве. При охлаждении огненного шара конденсация паров аэрозольного вещества наступает тогда, когда парциальное давление пара превы-

шает давление пара над жидкостью (или над твердым телом в случае сублимации). Может иметь место некоторое пересыщение, но, вероятно, оно не является важным фактором при образовании выпадений. Таким образом, если каждое вещество конденсируется из огненного шара независимо от других, время н температура конденсации будут определяться в основном концентрацией вещества и зависимостью давления пара от времени. Однако пары не будут конденсироваться совершенно независимо друг от друга. Напротив, вещества, присутствующие в больших концентрациях, имеют тенденцию одновременно вызывать конденсацию менее обильных или более летучих веществ; точно так же в дистилляторе приемлемая степень разделения многих смесей достигается лишь через несколько циклов перегонки. Тем не менее в результате различий в концентрации и летучести, равно как н в результате различий в природе радиоактивных рядов, будет возникать заметное фракционирование.

Количество горных пород и почвы, втягиваемых в огненный шар при наземном взрыве, должно увеличиваться с уменьшением расстояния точки взрыва от поверхности. Когда в огненный шар проникает достаточно большое количество такого вещества, только часть его испаряется. Охлаждающийся пар может конденсироваться на неиспа- рившихся частицах или образовывать отдельные частицы в результате самозарождения ядер конденсации. В последнем случае может происходить агломерация с неиспарившим- ся веществом. Если это вещество находится в форме жидкости, может происходить полное или частичное растворение конденсирующейся фракции. Если неиспарившиеся частицы твердые, при конденсации или агломерации они могут покрыться слоем сильно радиоактивного вещества. Даже неиспарившиеся частицы обычно радиоактивны в результате нейтронной активации некоторых их составляющих.

Адамс, Фарлоу н Шелл [12] провели подробное исследование природы частиц радиоактивных выпадений и пришли к ряду выводов относительно механизма их образования. Они полагают, что огненный шар может «всасывать» воздух, что несомненно верно, ибо даже грунт может в него втягиваться. Таким образом, к тому времени, когда наступает конденсация, огненный шар содержит кислород. Они пред-

дожили модель, основанную на предположении, что основными составляющими огненного шара при высоком наземном взрыве, например при башенном взрыве, является испаренное железо, из которого были сделаны части бомбы и элементы конструкции, а также воздух, поглощенный огненным шаром. Они предположили также, что до наступления конденсации пары железа находятся в форме свободных атомов; однако, когда конденсация происходит, железо окисляется и в течение некоторого времени находится в форме жидкой окиси железа. Они оценили, что при суммарном весе бомбы и башни 100 m и радиусе огненного шара 180 м железо начинает конденсироваться примерно при 3000° С.

' Они пришли также к выводу, что когда башня невысока н в огненный шар проникает почва, могут образовываться частицы трех типов:

очень малые частицы окиси железа, образующиеся путем конденсации и последующей агломерации;

значительно более крупные частицы окиси железа, состоящие в основном из расплавленного вещества башни;

крупные частицы вещества грунта, обращенного в жидкое состояние.

По-видимому, эта модель не учитывает возможности испарения вещества грунта.

Очень интересно сравнить природу частиц выпадений с предложенными механизмами их образования. Эти частицы были описаны Адамсом и др. [12]; изучение их проводилось также в лаборатории автора в течение нескольких лет. Частицы, образовавшиеся при наземных взрывах в силикатных грунтах, например на испытательном полигоне в Неваде, часто, но не всегда, являются сферическими. Некоторые из них совершенно черные, другие имеют зеленоватый оттенок, многие частицы явно являются составными. Черное вещество более радиоактивно, чем светлоокрашенное, у него больший удельный вес и часто оно ферромагнитно.

Особенно любопытны результаты изучения тонких срезов частиц. Применявшаяся автором методика изготовления таких срезов была описана Кейдлом, Уилдером и Шадтом [13]. Частицы помещаются на дно пустотелого стального цилиндра, добавляется порошкообразный метилметакри-

лат, и цилиндр нагревается в метал л огр афич ес ком прессе примерно до 150° С. Затем цилиндр подвергается давлений 435 кг/сз^ и ему дают охладиться по меньшей мере до 80° С. Тогда из пресса вынимается прозрачный цилиндр из метнл， метакрилата, в один конец которого впрессованы частицы5

Тот конец пластикового цилиндра, в который впрессо ваны частицы, шлифуют и полируют, применяя стандар十 ные методы обработки металлов, до тех пор, пока частицы с одной стороны не станут плоскими. Тогда пластиковый цилиндр снова вставляют в пресс вверх той стороной, которая содержит частицы. Поверх частиц насыпается толстый слой порошка метилметакрилата, и нагревание и сжатие повторяются. Большая часть пластика с того конца, куда частицы обращены неполированной стороной, срезается, а остаток с частицами шлифуется и полируется до получения тонких срезов. Большая часть оставшегося в срезе пластика спиливается и сошлифовывается, и остаются частицы, закрепленные в тонком диске из метилметакрилата. Диск прикрепляется к предметному стеклу микроскопа, и на этом приготовления заканчиваются.

Срезы частиц выпадений, приготовленные таким способом, были исследованы под петрографическим микроскопом, микрохимическими методами [14] и путем получения радиоавтографов. Аналогичными методами пользовались Адамс и др. [121. Исследование тонких срезов показало, что частицы состоят в основном из прозрачного стекла, от бесцветного до почти черного. В некоторых частицах содержатся многочисленные пузырьки. Черное вещество наиболее радиоактивно и почти наверняка является магнетитом Fe3O4. Оно, несомненно, образовалось из частей бомбы, а при башенных взрывах — частично из железа конструкции башни. В соответствии с предложенным выше механизмом образования частиц даже светлоокрашенное стекло было радиоактивным.

При башенных взрывах на коралловых островах в южной части Тихого океана возникали несколько иные частицы, что отражает иную природу грунта. Частицы были черными, сфероидальными и слабомагнитными, часто они имели трещины и прожилки солей кальция [121. Они имели ядро из гидроокиси и карбоната кальция, которые, как полагает Адамс, представляют собой окись кальция, впоследствии

измененную путем гидратации и карбонизации. Вокруг ядра располагался толстый слой ди кал ьцийфер р ита 2СаО- • Fe2O3, который был пересечен прожилками гидроокиси и карбоната. Радиоавтографы тонких срезов показали, что большая часть радиоактивности связана с наружным слоем.

Согласно Адамсу, к тому времени, когда температура 1адает до точки плавления окиси кальция (2570° С), большая часть паров железа в огненном шаре должна конденсн- роваться. Таким образом, окись железа и окись кальция при кр металл изации реагируют, образуя дикальцийфер- рит, а продукты деления конденсируются вместе с железом, что делает эти участки радиоактивными.

Когда очень мощные (порядка мегатонн) ядерные взрывы происходят очень близко к поверхности, частицы получаются несколько иными. Адамс описал частицы двух типов. Один тип — это угловатые частицы, состоящие почти целиком из гидроокиси кальция с тонким наружным слоем кальцита. Некоторые из них содержат ядро из неизмененного коралла, окруженное гидроокисью кальция. Частицы другого типа — сферические и состоят в основном из частично гидратированной окиси кальция. У них нет наружного кальцитового покрытия.

Процессы гидратации вызывают увеличение объема на 100%, что часто сопровождается распадом частиц.

Когда бомбы мощностью порядка мегатонн взрывались на баржах в лагуне атолла Бикини, со дна лагуны в огненный шар вещество почти не проникало. Баржи были сделаны в основном из стали и были загружены балластом из кораллового песка. И то и другое предположительно испарилось при взрыве и сконденсировалось и затвердело задолго до того, как сконденсировался водяной пар. Огненный шар содержал также большое количество хлористого натрия. Из-за отсутствия больших количеств грунта можно было ожидать, что частицы будут относительно маленькими; можно было думать также, что конденсировавшийся водяной пар выпадет дождем, унося с собой большую часть твердого вещества. Именно так и произошло. Адамс и др. [12] собрали такие частицы на пленки, которые были затем обработаны реагентом, чувствительным к хлористым соединениям. Эти частицы состояли из капель насыщенных водных растворов морских солей, содержащих в суспензии малень-

5—1275

кие радиоактивные шарики и кристаллы хлористого натрия. Диаметры капель менялись от 〜50 до 250 мк. Капли состояли из приблизительно равных частей воды и хлористого натрия и 4% (по весу) нерастворимых твердых веществ. Последние, как и можно было ожидать, были маленькими сферами. Диаметры их колебались от ~30 мк до самых маленьких, по меньшей мере 0,01 мк.

Фрейлинг [151 описал также фракционирование радионуклидов в частицах, образованных при мощных взрывах на поверхности моря или на коралловых островах. Были получены различные эмпирические соотношения. Вероятно, самым интересным результатом было то, что фракционирование слабо зависит от природы поверхности или мощности взрыва и, по-видимому, почти полностью определяется природой рядов распада продуктов деления.

Подземные взрывы

Образование частиц выпадений при подземных ядерных взрывах происходит практически так же, как при наземных взрывах, если не считать того, что количество грунта, захваченного огненным шаром, много больше. Кратерообразова- ние при подземных взрывах ——гораздо более существенный механизм внедрения грунта в огненный шар, чем эродирующее действие потоков воздуха, направленных внутрь огненного шара.

Часть вещества грунта выбрасывается вверх (или падает сверху) в облако ядерных осколков на позднем этапе процесса образования частиц, так что расплавленные радиоактивные частицы слипаются с нерасплавленными частицами или оседают на них.

Когда в силикатном грунте происходит подземный ядер- ный взрыв, наблюдается гораздо большее разнообразие форм и конфигураций агломератов частиц, чем при наземных взрывах на том же грунте. Многие частицы сферические, но наблюдается также и множество других форм, что указывает на сильную турбулентность, которая должна существовать в облаке ядерных осколков незадолго до отвердения частиц. Некоторые из частиц грушеобразны, часто с вытянутыми концами, другие имеют форму гантелей или состоят из двух или более сфер, почти полностью

слившихся друг с другом. Многие малые частицы — черные и ферромагнитные и, как можно ожидать, частично радиоактивны. Иногда встречаются даже нити, напоминающие «волосы Пеле», образующиеся при некоторых вулканических извержениях базальтовой лавы.

Сложность многих частиц иллюстрируется стереофотографией частицы, образовавшейся при подземном взрыве 疝жангл》на испытательном полигоне в Неваде. Она была

Рис. 21. Стереофотография частицы, образовавшейся при подземном взрыве «Джангл» в Неваде. Самый большой черный шарик имеет диаметр около 220 тик.

исследована автором (рис. 21). Первоначально, когда частица была извлечена зондом из пробы радиоактивных частиц, она была покрыта сильно радиоактивным черным глянцевитым веществом. Оно было сколото, чтобы открылась внутренняя зона частицы, как это видно на фотографиях. Считается, что черные сферы сильно радиоактивны и состоят из продуктов деления, магнетита и, возможно, сконденсировавшегося грунта. Светлоокрашенное стекловидное вмещающее вещество, вероятно, представляет собой расплавленный грунт, который в пустыне Невады песчаный и содержит мало гумуса. Вмещающее вещество очень пузыр-

чатое, по-видимому, вследствие выделения при плавлении адсорбированных воды н воздуха и гидратационной воды.

Были приготовлены тонкие срезы частиц выпадений от подземных взрывов. По ним хорошо видна стекловатая природа большинства частиц; заметно также, что ряд частиц содержит практически неизмененные частицы грунта. Две исследованные частицы содержали металлические фрагменты. Черное, сильно радиоактивное вещество бывает лишь частично перемешано со стеклоподобным субстратом, что придает тонким срезам полосатый или крапчатый вид. Сходный вид имеют и радиоавтографы.

У выпадений от наземных и подземных ядерных взрывов медианный размер частиц много больше, чем у выпадений от взрывов в воздухе. Вследствие этого большая часть радиоактивных продуктов деления оседает на землю в виде локальных выпадений, а не остается на долгое время в атмосфере с образованием глобальных выпадений.

В открытой литературе имеется мало данных об изменениях радиоактивности с размером частиц. Сизевский [16, 171 описал свойства образовавшихся при взрывах бомб частиц, собранных им в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Диаметр их менялся от 0,25 до 5 /к. При помощи радиоавтографов и микроскопа он показал, что радиоактивность пропорциональна объему частиц. Вероятно, эти частицы образовались при одновременной конденсации продуктов деления и сравнительно нерадиоактивного вещества. Однако если радиоактивность в основном сосредоточена в тонком слое на поверхности частицы, то радиоактивность должна быть пропорциональна площади поверхности.

Фрейлинг [8] указал, что остаточная радиоактивность частиц различных размеров от подземного взрыва «Джангл» подчинена логарифмически-нормальному распределению. Диаметр частиц с медианной остаточной радиоактивностью равен приблизительно 100 мк. Однако распределение радиоактивности по размерам частиц для взрывов в коралловых грунтах заметно отличается от таких же распределений для грунтов, богатых силикатами. Вероятно, это указывает на то, что в первом случае образование наружного слоя играет большую роль.

Подземные ядерные взрывы обычно бывают настолько глубокими, что утечки радионуклидов почти не происходит.

Однако при некоторых взрывах в той или иной мере произошел прорыв в открытую атмосферу. Мнения об опасности для здоровья, которую создают такие прорывы, крайне противоречивы.

Пенн и Мартелл [18] утверждают, что прорыв во время подземного испытания в Неваде 15 сентября 1961 г. может быть ответствен за большую часть выпадений иода-131 в восточной и центральной части Юга США в конце сентября 1961 г. Рейтер [19], а также Махта, Лист и Телегадас [20] это оспаривают.

Мартелл [21 ] предполагает, что иод-131, связанный с выпадениями на Среднем Западе США в мае 1962 г., также образовался при прорыве глубокого подземного ядерного взрыва.

Механику такого прорыва и судьбу некоторых продуктов реакции при таких глубоких подземных взрывах рассматривал Геккерман [22].

Мы упоминали два других типа ядерного оружия, а именно «чистое» и «грязное» оружие. Название «чистое» определяется относительным количеством образовавшихся радиоактивных веществ. Так как для детонации термоядерных взрывов используются обычные ядерные взрывы, совершенно «чистой» бомбы не существует. Как указывает Гласстон [1 ], даже «чистый» термоядерный взрыв в воздухе образует углерод-14 и другие нуклиды, возникающие вследствие нейтронной активации.

«Грязное» оружие можно рассматривать как противоположность «чистому» оружию. «Загрязнение» состоит во включении в бомбу определенных элементов, которые становятся радиоактивными под действием образующихся при взрыве нейтронов. «Загрязнение» можно применять для создания радиоактивных «меченых» ядер, используемых в качестве индикаторов перемещений продуктов взрыва. Предлагалось также применять «загрязнение» как средство повышения смертоносности выпадений. Так называемая кобальтовая бомба, получившая печально широкую известность, представляет собой «грязное» оружие.

Наконец, следует упомянуть взрывы в верхней атмосфере выше 45 км・ Такие взрывы представляют специальный интерес как средство образования больших концентраций ионов в областях атмосферы, находящихся на различных

высотах над землей. О частицах, образующихся при таких взрывах, почти ничего не известно. В случае сверхвысоких взрывов, когда длина свободного пробега атомов или молекул крайне велика, самопроизвольного возникновения ядер конденсации почти не может происходить н образование радиоактивных частиц в основном заключается в адсорбции и конденсации на ранее существовавших частицах, например на частицах внеземного происхождения.

Образование кратера

При наземных и подземных взрывах в грунтах и горных породах масса образовавшихся выпадений в большой мере зависит от размеров кратера. При данной мощности бомбы распределение частиц выпадений по размерам также является функцией размеров кратера. Мода распределения частиц по размерам имеет тенденцию увеличиваться с увеличением размеров кратера. Эти утверждения, конечно, перестают быть с пр аведл ивыми, если взрыв осуществляется настолько глубоко под поверхностью, что взрыв н его продукты практически не выходят наружу.

Для наземных н подземных взрывов масштабные соотношения для размеров «видимого кратера» несколько различны. «Видимый» кратер назван так в противоположность «истинному», включающему область, где происходят разрушения без выбросов. Согласно [11, наземный взрыв с точки зрения размеров возникающего кратера определяется как взрыв с приведенной глубиной менее 1,5 九. Здесь приведенная глубина (или высота) равна истинной глубине (или высоте), деленной на 步°，з, где Ц7 — энергия взрыва в килотоннах. Для наземных взрывов видимый диаметр кратера на начальном уровне поверхности (Дл) и видимая глубина (Н^9 отсчитываемая от этого уровня, меняются как 昭‘/з. Объем кратера дается выражением ^D2alia/8. Размеры кратеров, образованных подземными взрывами, по-видимому, пропорциональны 啖з. Как и следовало ожидать, действительные размеры кратеров и их форма очень сильно варьируют в зависимости от типа грунта или горных пород, от их стратификации н от приведенной глубины.

Было разработано множество теорий кратерообразова- ния. Например, полуколичественная теория механики кра-

терообразования была предложена Нордайком 【23], который подчеркивает, что кратеры, образуемые бризантными взрывчатыми веществами в аллювии, вполне сходны с кратерами, образующимися при ядерных взрывах. Рассмотренные механизмы кратерообразован ия включают: сжатие и пластическую деформацию среды, непосредственно окружающей точку взрыва; разрыв поверхности над точкой взрыва волной растяжения, образующейся на свободной поверхности грунта; ускорение раздробленного вещества над взрывной полостью газами, заключенными в полости, до и после их освобождения. Когда взрывы происходят на поверхности или вблизи нее, основными механизмами являются пластическая деформация н сжатие; когда они происходят на небольшой глубине, особенно важным процессом являются разрывы поверхности; на оптимальной для кратерообразования глубине наиболее существенно ускорение газами, и, наконец, в случае очень глубоких взрывов главным фактором является оседание и обрушение в полость, образованную в результате пластической деформации и сжатия.

Аэрозоли, образующиеся при работе ядерных реакторови разделительных установок

Основная опасность, связанная с вредными отходами, образующимися при работе ядерных реакторов и разделительных установок, заключается в возможности загрязнения почвы и источников воды, так что в конечном счете радиоактивные вещества могут поглощаться человеком. Тем не менее при работе реакторов н разделительных установок могут образовываться также и радиоактивные аэрозоли, представляющие потенциальную опасность местного характера.

К радиоактивным газовым выделениям относятся воздух, используемый для охлаждения реакторов, н газы, обра- зующиеся при переработке продуктов деления [2]. Воздух, используемый для охлаждения некоторых реакторов, может подвергаться нейтронной активации, и основным источником опасности является газ аргон-41. Если воздух содержит пылевые частицы (если они не удаляются фильтрацией или электростатическим осаждением), то они также

могут стать радиоактивными. В действительности такие частицы обычно удаляются после прохождения воздуха через реактор.

Радиоактивные газы выделяются тогда, когда урановые стержни из ядерного реактора подвергаются обработке для получения плутония. Эти газы разбавляются воздухом и выбрасываются через высокие трубы. Так как радионуклиды могут адсорбироваться на пылевых частицах, воздух перед выбросом в атмосферу обычно фильтруется.

Случайное образование радиоактивных частиц

С реакторами происходят аварии, например когда реактор переходит в надкритический режим. Взрыв ядерного реактора крайне маловероятен, но перегретые реакторы могут испускать большие количества продуктов деления, другие высокорадиоактивные вещества, уран и плутоний. Произошло уже несколько аварий различного рода, в том числе авария на заводе Британского управления по атомной энергии в Уиндскейле в октябре 1957 г. и на заводе в Чок-Ривер в Канаде в мае 1958 г.

Об аварии в Уиндскейле опубликовано много отчетов [3, 24——26]. Реактор № 1 перегрелся и дал течь, выделяя в вытяжные трубы летучие продукты деления и частицы, содержащие радиоактивные продукты деления. Большинство частиц было задержано фильтрами, но некоторые радионуклиды все же ускользнули, особенно частицы, богатые иодом-131, и газообразный иод-131.

Иод-131 выделяется облученным ядерным топливом при окислении урана [24]. Полное количество иода-131, образующегося при делении, очень мало и при аварии выделилось, вероятно, не более 1 г. Однако, по-видимому, большая часть иода осела на частицах в результате адсорбции (хемосорбции?). Во время аварии в реакторе находились пары свинца и висмута, и иод-131 был обнаружен в осевших на фильтрах частицах окислов. Близ места аварии были найдены также частицы графита диаметром до 15 мк, на которых были адсорбированы радиоактивные вещества. Во время аварии реактор испускал также теллур-132 и цезий-137.

Чемберлен [241 полагает, что большей частью радиоактивные частицы были субмикронного размера.

Возможность того, что ядерное оружие случайно взорвется, не исключена, но это очень маловероятно. За 19 лет существования такого оружия случайных ядерных взрывов не происходило [1]. Ядерное оружие содержит химическое (бризантное) ВВ для перевода системы из субкритического в надкритическое состояние, что и вызывает ядер- ный взрыв. Случайная детонация этого бризантного ВВ гораздо более вероятна, чем детонация делящегося вещества.

Если бризантное ВВ детонировало, но ядерный взрыв не произошел, уран н плутоний частично могут быть рассеяны в виде аэрозолей. Мелкие частицы могут быстро превратиться в о кислы. Соединения урана представляют собой химические яды. Плутоний концентрируется в костях, и излучаемые им а-частицы оказывают вредное дейст- вие на организм.

В случае воспламенения, а не детонации бризантных ВВ в дыме могут присутствовать очень мелкие частицы окис- лов. Исследования на испытательном полигоне в Неваде показали, что на расстояниях больших 500 м от места аварии доза плутония, которую может получить человек, не превышает величин, допускаемых дозиметрическими нормами [11. Маловероятно также, что будет достигнута максимально допустимая концентрация урана.

Возможно, что детонация бризантного ВВ в ядерном оружии приведет устройство в критическое состояние, в результате чего продукты деления и наведенная радиоактивность образуются даже и без ядерного взрыва. Но даже в этом случае количество продуктов деления н наведенной радиоактивности на расстоянии 500 м от места аварии, вероятно, будет пренебрежимо мало.

ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫПАДЕНИЯ

Базисная волна

Когда облако частиц настолько разрежено, что расстояния между частицами велики по сравнению с их диаметрами, частицы падают независимо друг от друга (исключая

случаи столкновений или агломерации). Когда концентрация их увеличивается и расстояния между частицами уменьшаются, падающие частицы взаимодействуют между собой, так как они увлекаются частицами среды, в которой они взвешены. Когда концентрация становится достаточно большой, падающие частицы увлекают с собой весь окружающий воздух н облако падает почти как единое тело. Такое поведение взвешенных в воздухе частиц вызывает явление, наблюдающееся при подводных и подземных взрывах н называемое базисной волной.

Когда происходит неглубокий подводный взрыв, подобный взрыву «Бейкер» на Бикини, за несколько миллисекунд образуется водяной купол. Еще через несколько миллисекунд горячий газовый пузырь достигает поверхности н начинает образовываться столб, что сопровождается развитием на его вершине грибообразного облака. Когда капли воды начинают падать назад на поверхность океана, возникает описанное выше явление. Основание столба окружено облаком капель, которое быстро расширяется волнообразным движением. Отсюда и название «базисная волна».

Базисная волна, образующаяся при подземных взрывах, возникает в результате сходной последовательности событий. Облако базисной волны очень богато продуктами деления, в чем можно убедиться, сравнив линии изодоз радиоактивного заражения почвы после взрыва с фотографиями, изображающими развитие базисной волны, которая никогда не бывает точно симметричной относительно точки взрыва. Связь между этими явлениями особенно хорошо заметна для подземного взрыва «Джангл» в Неваде.

Совместное действие метеорологических условийи размеров частиц

Распределение по поверхности земли очень крупных радиоактивных чагтиц после ядерных взрывов в основном зависит от высоты, которой достигают эти частицы, прежде чем они начинают падать, и от их горизонтальных движений, определяемых поведением огненного шара н базисной волны. Кроме того, при подземных взрывах выбрасывается огромное количество вещества, которое может двигаться

по траекториям, в основном не зависящим от последующего развития взрыва [27]. "

Однако распределение большинства частиц выпадений, за исключением тех, которые увлекаются к грунту базисной волной, определяется главным образом метеорологическими условиями, такими, как скорость ветра, сдвиг ветра, наличие или отсутствие температурной инверсии, а для малых частиц, достигающих стратосферы,——глобальной системой циркуляции.

С точки зрения вредного действия ядерного оружия полезно проводить различие между «локальными» и «глобальными» выпадениями. Локальные, ранние или ближние выпадения ——это названия, обозначающие выпадения близ точки взрыва или в непосредственной близости от нее по направлению ветра. Такие выпадения способны вызвать резкие физиологические эффекты и даже смерть за весьма короткое время, равно как и оказывать длительное действие. Цменно выпадения этого типа оправдывают строительство противоатомных убежищ; именно они ответственны за острые симптомы, появившиеся у населения атолла Ронгелеп в южной части Тихого океана. Глобальные, или запаздывающие, выпадения оказывают длительное или сильно замедленное действие, являющееся особенно коварным. Наличие таких выпадений может быть вообще незамеченным, если не применять специального оборудования, и пути проникновения их в организм могут быть весьма косвенными.

Ясно, что различие между локальными н глобальными выпадениями условно. Удобно определить частицы, оседающие на Землю менее чем за 24 час, как локальные выпадения, а частицы, требующие для этого больше времени, как глобальные. Малые частицы легче, чем крупные, остаются во взвешенном в воздухе состоянии дольше 24 часов; важны также н высота, на которой образуются частицы, н метеорологические условия, например возникновение ливней.

Различие между локальными н глобальными выпадениями может быть вызвано фракционированием. Крупные частицы, очень быстро выпадающие из облаков, будут содержать мало нуклидов (или их производных), находившихся в газообразном состоянии в промежуток между возникновением крупных частиц и их выпадением из облака. Когда радиоактивные газы распадаются с образованием жидких

или твердых производных, они конденсируются на оставшихся более мелких частицах. Таким образом, более далекие выпадения могут быть относительно богаче теми элементами, которых недостает в близких выпадениях, хотя такое фракционирование обычно наблюдается только у взрывов относительно малой мощности.

Фракционирование выпадений от взрывов на поверхности океана обычно очень невелико, так как огненный шар должен охладиться до 100° С или менее, прежде чем начнется конденсация испарившейся воды. Период охлаждения достаточно длителен, чтобы большинство газообразных нуклидов, таких, как криптон и ксенон, распались до твердых продуктов к тому времени, когда начнется конденсация воды. Кроме того, капли очень малы и оседают из облака осколков медленно.

Рассматривая совместно размер частиц, их плотность, метеорологические условия и скорость распада продуктов деления, можно в общем предсказать мощности доз и суммарные дозы радиоактивности, которые могут быть получены на разных расстояниях от места взрыва оружия дан- ной мощности. Методы таких предсказаний представляют интерес для целей гражданской обороны, для безопасного проведения испытаний ядерного оружия и для прогнозирования воздействия выпадений в военных целях.

Очевидно, что горизонтальные перемещения, которые испытывают частицы выпадений по пути к поверхности Земли, частично определяются скоростью ветра, которая характеризуется как величиной, так и направлением. Кроме того, ветер может меняться с высотой (сдвиг ветра); поэтому следует рассматривать суммарное действие всех ветров между начальной высотой частицы и грунтом. Следует также учитывать такие факторы, как распределение радиоактивности в различных частях грибообразного облака, его размеры, диапазон размеров частиц и мощность оружия.

Около 90% радиоактивности при взрывах на поверхности суши находится в «шляпке» радиоактивного грибовидного облака, а остальное — в его «ножке». Распределение радиоактивности в «шляпке» может быть неоднородным и, по-видимому, меняется от взрыва к взрыву, возможно, вследствие изменения атмосферных условий.

Прогнозирование распределения выпаденийпо поверхности

Прежде чем прогнозировать мощности доз и суммарные дозы радиоактивности, необходимо рассмотреть скорость убывания величины радиоактивных доз в выпадениях. Ив-за сложности смеси продуктов деления, состав которой заметно меняется со временем, функция, описывающая изменение со временем мощности дозы, создаваемой выпадениями

ODhMZEHad SP9号у ёёс QD> 83S-二言Q 4£00扌02QDh/HaeplHadzleop qEIso 扌 0工ODhMZEHad SP9号у ёёс QD> 83S-二言Q 4£00扌02QDh/HaeplHadzleop qEIso 扌 0工101010'5 Ю * 11070 2 7〃 '勿“время после бзрь收1, /ОС10'5 Ю * 11070 2 7〃 '勿“время после бзрь收1, /ОСРис. 22. Уменьшение со временем мощности дозы от локальных выпадений.Рис. 22. Уменьшение со временем мощности дозы от локальных выпадений.

ODhMZEHad SP9号у ёёс QD> 83S-二言Q 4£00扌02

QDh/HaeplHadzleop qEIso 扌 0工

ODhMZEHad SP9号у ёёс QD> 83S-二言Q 4£00扌02

QDh/HaeplHadzleop qEIso 扌 0工

10

10

10'5 Ю * 11070 2 7〃 '勿“

время после бзрь收1, /ОС

10'5 Ю * 11070 2 7〃 '勿“

время после бзрь收1, /ОС

Рис. 22. Уменьшение со временем мощности дозы от локальных выпадений.

Рис. 22. Уменьшение со временем мощности дозы от локальных выпадений.

в данном месте, сама является функцией времени. Однако в первые шесть месяцев мощность дозы меняется приблизительно пропорционально /-1'2. Это равносильно утверждению, что семикратное увеличение времени, прошедшего после взрыва, приводит к десятикратному уменьшению мощности дозы. За точку отсчета удобно применять момент, соответствующий 1 час после взрыва, как это сделано в [1 ]. Изменение относительных мощностей доз по закону /"Ь2 показано на рис. 22. Здесь относительная мощность в рентген/час принята равной единице для момента, соответствующего 1 час после взрыва. Мощности доз, оцениваемые

по рис. 22 для первых двух недель после взрыва, получаются с точностью примерно до 25%, а для первых шести месяцев —— с точностью до множителя, равного 2.

Распределение выпадений может быть представлено картами, на которые нанесены семейства линий изо доз. Их можно составить для различных моментов после взрыва или же составить единую схему распределения мощностей доз в момент, принятый за точку отсчета.

Для прогнозирования распределения выпадений применяются четыре метода [1, 28]. Наиболее сложным из них является построение математической модели выпадений. Этим методом можно получить наиболее подробные распределения. Частицы исходного облака прослеживаются вплоть до поверхности земли, и для большого числа точек в поле выпадений вычисляется суммарный эффект. Предпринимая такой расчет, желательно включить в математическую модель не только скорости ветра на разных высотах, но также и изменения этих скоростей с местом и временем. Это особенно важно для взрывов мощностью порядка мегатонн, ибо в этом случае локальные выпадения могут достигать поверхности на расстояниях 150 км или более от точки взрыва.

Для построения математической модели необходимо также знать начальное пространственное распределение частиц, которое тесно связано с кратко рассмотренным выше распределением радиоактивности. Должны быть известны распределение частиц по размерам и связь радиоактивности с размерами, а также изменение распределения по размерам в зависимости от места. При построении некоторых моделей были сделаны попытки учесть все эти факторы.

Очевидно, что в модель следует включить скорость падения частицы данного размера с определенной высоты. По крайней мере в одной из моделей была сделана попытка учесть разброс траекторий, вызванный турбулентной диффузией. Расчеты обычно проводились на цифровых электронных машинах, но применялись также и специальные аналоговые вычислительные устройства и даже графические методы расчетов вручную. Полученные результаты зависят от степени детализации математической модели и от предположений, сделанных относительно упомянутых выше факторов. Различия между этими предположениями иногда были очень велики.

В 1955 г. Группа по разработке специальных видов оружия Вооруженных сил США (Armed Forces Special Weapons Project — AFSWP, позднее DASA ) провела симпозиум по радиоактивным выпадениям. Различным группам, разработавшим математические модели, было предложено применить свою методику к двум совокупностям ветровых

распределенпя выпадений, специальных видов оружияраспределенпя выпадений, специальных видов оружияРис. 23. Сравнение расчетов денное Группой по разработкеРис. 23. Сравнение расчетов денное Группой по разработке--5О 51。кмI11--5О 51。кмI11.111 Un ] I D у си ]., <^. wa.-〜 ~~__ __чжеиных сил США [28, 29]. Ветровые условия /, энергия взрыва 1 Aiт. Показаны контуры дозы 1500 рентген, накапливающейся за 48 час. / — Группа по разработке специальных видов оружия Вооруженных сил США; 2 ——Армейская служба связи; 3 ——Лаборатория радиологической защиты ВМФ; 4 — Управление технических служб； 5 — корпорация «РЭНД»..111 Un ] I D у си ]., <^. wa.-〜 ~~__ __чжеиных сил США [28, 29]. Ветровые условия /, энергия взрыва 1 Aiт. Показаны контуры дозы 1500 рентген, накапливающейся за 48 час. / — Группа по разработке специальных видов оружия Вооруженных сил США; 2 ——Армейская служба связи; 3 ——Лаборатория радиологической защиты ВМФ; 4 — Управление технических служб； 5 — корпорация «РЭНД».—О— 4—О— 4прове- Воору-

распределенпя выпадений, специальных видов оружия

распределенпя выпадений, специальных видов оружия

Рис. 23. Сравнение расчетов денное Группой по разработке

Рис. 23. Сравнение расчетов денное Группой по разработке

--5

О 51。км

I11

--5

О 51。км

I11

.111 Un ] I D у си ]., <^. wa.-〜 ~~__ __ч

жеиных сил США [28, 29]. Ветровые условия /, энергия взрыва 1 Aiт. Показаны контуры дозы 1500 рентген, накапливающейся за 48 час. / — Группа по разработке специальных видов оружия Вооруженных сил США; 2 ——Армейская служба связи; 3 ——Лаборатория радиологической защиты ВМФ; 4 — Управление технических служб； 5 — корпорация «РЭНД».

.111 Un ] I D у си ]., <^. wa.-〜 ~~__ __ч

жеиных сил США [28, 29]. Ветровые условия /, энергия взрыва 1 Aiт. Показаны контуры дозы 1500 рентген, накапливающейся за 48 час. / — Группа по разработке специальных видов оружия Вооруженных сил США; 2 ——Армейская служба связи; 3 ——Лаборатория радиологической защиты ВМФ; 4 — Управление технических служб； 5 — корпорация «РЭНД».

—О— 4

—О— 4

условий, обозначенным Л и В. Результаты были опубликованы в закрытом отчете симпозиума [28,29]. Они показаны на рис. 23 и 24, хорошо демонстрирующих трудности составления точных прогнозов. С 1955 г. было осуществлено много ядерных взрывов. С тех пор, несомненно, улучшились как математические модели, так и возможности получения

[44[44Глава IV. Радиоактивные выпадения

[44

[44

вводимых в модели данных. Но тем не менее, если провести такое же сопоставление сейчас, очень маловероятно, что будет получено лучшее согласие.

Второй метод——аналоговый. Этот метод очень широко применяется для предсказаний погоды. Практически он

О 510 к м

Р н с. 24. Сравнение расчетов распределения выпадений, проведенное Группой по разработке специальных видов оружия Вооруженных сил США [28,29].~Ветровые условия В, энергия взрыва 1 Мт. Показаны контуры дозы 1500 рентген, накапливающейся за 48 час. Обозначения те же, что на рис. 23.Р н с. 24. Сравнение расчетов распределения выпадений, проведенное Группой по разработке специальных видов оружия Вооруженных сил США [28,29].~Ветровые условия В, энергия взрыва 1 Мт. Показаны контуры дозы 1500 рентген, накапливающейся за 48 час. Обозначения те же, что на рис. 23.

Р н с. 24. Сравнение расчетов распределения выпадений, проведенное Группой по разработке специальных видов оружия Вооруженных сил США [28,29].~

Ветровые условия В, энергия взрыва 1 Мт. Показаны контуры дозы 1500 рентген, накапливающейся за 48 час. Обозначения те же, что на рис. 23.

Р н с. 24. Сравнение расчетов распределения выпадений, проведенное Группой по разработке специальных видов оружия Вооруженных сил США [28,29].~

Ветровые условия В, энергия взрыва 1 Мт. Показаны контуры дозы 1500 рентген, накапливающейся за 48 час. Обозначения те же, что на рис. 23.

заключается в переборе большого числа ситуаций, имевших место в прошлом. Выбирается одна ситуация, которая кажется наиболее соответствующей данной, и делается предположение, что аналогичные ситуации приводят к аналогичным результатам. В случае выпадений выбор определяется сходством мощностей взрыва и ветровых условий для рассматриваемой ситуации и для распределения выпадений, взятого из каталога. Каталоги распределений выпадений были составлены корпорацией «РЭНД» в Санта-Л1онике (штат Калифорния). Специалист, работающий с таким каталогом, должен найти поле ветров, которое более или ме-

нее соответствует рассматриваемому полю, и затем воспользоваться тем, что распределение выпадений для такого поля уже было рассчитано или подробно исследовано. Часто мощности взрывов оказываются различными; в этом случае можно применить какой-либо из законов подобия, аналогичный тому, который будет описан ниже. Конечно, одно и то же ветровое поле никогда точно не повторяется,

но, согласно Келлогу [28], подбор аналогий можно проводить вполне успешно в весьма широких диапазонах ветровых условий и мощностей взрыва.

Третьим методом является построение сектора поражения. Для того чтобы этим методом получить общее представление о районе и времени выпадений, требуется минимум информации. В основном нужно пронаблюдать или прогнозировать средние скорости и направления ветра в ряде полуторакилометровых слоев атмосферы, вплоть до вершины облака частиц. Эти данные используются для определения приближенной траектории выпадений и времени достижения ими поверхности Земли.

Этот метод иллюстрируется рис. 25. Из точки О, соответствующей точке взрыва, проводим вектор ОА, изображающий среднюю скорость ветра в самом нижнем пол утора- километровом слое. Затем проводим для последовательных слоев, вплоть до вершины облака, векторы АВ, ВС, CD и т. д. Пунктирные линии представляют собой следы частиц,

опускающихся с высот, обозначенных соответствующими буквами. Так, ОЕ ——это след частиц, опускающихся с высоты 7,5 км. Среднее арР1фметическое значение скорости ветра для всех высот, вплоть до вершины облака, равно длине пунктирной линии, соответствующей вершине облака, в данном случае OG, деленной на число полуторакилометровых слоев.

Участок, оконтуренный такой диаграммой, гру6о：пере- дает направление из точки взрыва (эпицентра). Для того чтобы учесть физические размеры облака выпадений, следует продлить векторы во всех направлениях на длину радиуса облака. Если теперь провести из точки。две прямые, касательные к семейству векторов, образующийся сектор будет представлять собой сектор поражения, т. е. сектор, внутри которого будут выпадать радиоактивные осколки, если поле ветров постоянно.

Этот простой расчет может быть уточнен путем оценки времени, за которое частицы попадут из точки над эпицентром в данную точку поверхности. Если скорость ветра измерять в км/час, линия 0G будет изображать расстояние, пройденное достигшей грунта частицей при опускании ее с высоты 10,5 км за 7 час. Если считать, что плотность вещества выпадений равна 2,5 г/см3, то площадь, заключенная между векторами и замыкающей линией, представляет собой участок поверхности, на котором находятся почти все частицы диаметром 75 咖к и более (рис. 26). Используя время падения частиц различных размеров, можно продлить линии, изображающие следы частиц, чтобы они соответствовали частицам любого заданного диаметра. Так, если удвоить длины всех линий, что соответствует удвоению времени падения, минимальный диаметр частиц, достигших поверхности, будет приблизительно равен 50 мк. На такой секторной карте можно выделить участки, соответствующие районам осаждения частиц различных размеров.

Очевидно, что в этом методе пренебрегается многими усложняющими факторами. В числе неучитываемых метеорологических факторов ——вертикальные движения воздуха, изменение картины ветров над интересующей нас областью, возможность заметного сдвига ветра в тонких слоях атмосферы и влияние дождей в рассматриваемой области. Высота видимого облака может не точно со-

ответствовать высоте, на которой образуются частицы. Не все частицы выпадений имеют одинаковую плотность.

В одном из вариантов этого метода используются данные, публикуемые два-четыре раза в сутки станциями по наблюдению за высотными ветрами Бюро погоды США. Публикуемые данные содержат направления и расстояния

7%3%3%明/成联7%3%3%明/成联024681012/4161820222<Врелпр, час024681012/4161820222<Врелпр, часР и с. 26. Время падения частиц разных размеров с различных высот и процент переносимой с ними полной радиоактивности.Принято, что плотность частиц равна 2,5 г/см3 [I].Р и с. 26. Время падения частиц разных размеров с различных высот и процент переносимой с ними полной радиоактивности.Принято, что плотность частиц равна 2,5 г/см3 [I].±х СОЕОЗЗВСО工 quGhDH±х СОЕОЗЗВСО工 quGhDH

7%3%3%明/成联

7%3%3%明/成联

024681012/4161820222<

Врелпр, час

024681012/4161820222<

Врелпр, час

Р и с. 26. Время падения частиц разных размеров с различных высот и процент переносимой с ними полной радиоактивности.

Принято, что плотность частиц равна 2,5 г/см3 [I].

Р и с. 26. Время падения частиц разных размеров с различных высот и процент переносимой с ними полной радиоактивности.

Принято, что плотность частиц равна 2,5 г/см3 [I].

±х СОЕОЗЗВСО工 quGhDH

±х СОЕОЗЗВСО工 quGhDH

от эпицентра тех точек, в которых опустятся частицы, падающие с различных высот за 3 〃ас. Эти данные можно нанести на диаграмму таким же образом, как проведены пунктирные линии на рис. 25, и экстраполировать их, получив в результате время прихода выпадений в любую точку. Этот метод разработан для нужд гражданской обороны, так как он позволяет очень быстро выделить районы, в которых может возникнуть опасность радиоактивных выпадений. По таким графикам, конечно, легко определить сектор поражения.

Четвертый метод расчета распределения выпадений мож- но назвать методом «идеализированного распределения». Он основан на давнем наблюдении, что большинство радиоактивных следов в Неваде имели характерную сигарообраз-

ную форму [30]. Была сделана попытка представить распределения выпадений в виде семейства эллипсов. Такие распределения изображают усредненное поле выпадений Для данной мощности взрыва и набора ветровых условий; для любой реальной ситуации распределения получаются заметно отличными. Идеализированные распределения обычно используются для прогнозирования, например при определении зоны смертельного поражения выпадениями в случае ядерной атаки. ~

Приведем описание этого метода согласно [1]. Чтобы построить идеализированное распределение, надо предположить, что реальную систему ветров можно заменить средними значениями скорости и направления ветра на всем интервале высот от поверхности до некоторого характеристического уровня в облаке. Этот уровень обычно располагается между основанием и серединой главного облака, где, как принято считать, концентрируется радиоактивность. Это предположение всегда приводит к сигарообразным распределениям.

При построении таких распределений важно отдавать себе отчет, что любой точки с подветренной стороны от ядерного взрыва ранние выпадения достигают не сразу, а обычно через несколько часов после взрыва. Даже когда выпадения достигают этой точки, они продолжают оседать в течение длительного периода. Кроме того, радиоактивность, связанная с любой частицей, заметно уменьшается к тому времени, когда частица достигнет поверхности. Таким образом, до начала выпадений мощность дозы близка к нулю, потом она увеличивается до максимума, когда большинство выпадений осядет, а затем постепенно уменьшается вследствие радиоактивного распада.

Идеализированные распределения строятся для мощностей доз в упомянутый выше момент, принятый за точку отсчета (1 час после взрыва). Контуры такого идеалнзнро- ванного распределения для наземного ядерного взрыва мощностью 1 Мт при эффективной скорости ветра 24 км/час показаны на рис. 27. Эти контуры построены частично по данным, полученным при различных испытательных взрывах, а частично путем расчетов. Обратите внимание, что на рисунке отсутствует распределение выпадений с наветренной стороны от точки взрыва.

Идеал из иров анное распределение можно привести к другому масштабу, для оружия другой мощности, умножая числа, соответствующие различным линиям, на мощность взрыва в мегатоннах. В случае термоядерного оружия, для которого детонатором служит обычный ядерный взрыв, следует учитывать только ту часть энергии, которая выделяется при этом детонирующем взрыве. Этот метод, повн- димому, дает хорошие результаты для взрывов мощностью от 0,1 до 10 Мт. Наблюдения показывают, что мощности доз, превышающие 10 000 рентген, встречаются редко возможно потому, что начальный объем радиоактивного облака увеличивается с ростом мощности оружия. В результате максимальная радиоактивность на грунте очень мало меня- ется с мощностью взрыва. Масштабные соотношения более точны на больших расстояниях, где мощности доз ниже и где начальный объем облака оказывает малое влияние на концентрацию выпадений на поверхности. Такие же соображения применимы и к влиянию суммарной мощности комбинированного, ядерно-термоядерного оружия. Увеличение полной мощности комбинированного взрыва при данной мощности ядерного может создать меньшую начальную мощность дозы близ эпицентра вследствие увеличения размеров облака. На больших расстояниях с подветренной стороны от эпицентра влияние суммарной мощности будет сравнительно невелико.

Для этого метода следует выбрать вертикальное расстояние, по которому измеряются и усредняются скорости ветра. Для полных мощностей менее 1 Мт, от 1 до 5 Мт и больше 5 Мт эти высоты равны 12, 18 и 24 км соответственно.

В отсутствие сдвига ветра расстояние от эпицентра, на котором частицы данного размера, падающие с данной начальной высоты, достигают поверхности, прямо пропорционально скорости ветра, так что при вдвое большей скорости ветра они распространяются, грубо говоря, на вдвое большую площадь. Даже в отсутствие сдвига ветра это не вполне строго, так как не учитывается расширение облака выпадений при движении по ветру вследствие турбулентной диффузии. Для учета усредненной скорости ветра и предложены следующие масштабные соотношения. Начальная мощность дозы, указанная у каждой

кривой на рис. 27, умножается на 24Л\ так как рис. 27 составлен для скорости ветра 24 км/час; расстояния по направлению ветра умножаются на и/24. Если эквивалентная скорость ветра равна 48 км/час, то на двойном расстоянии мощности доз уменьшаются вдвое.

Из сказанного выше ясно, что применение идеализированных распределений мощностей доз в момент, принятый

Рис. 27. Идеализированное распределение мощностей доз в момент, принятый за точку отсчета (1 час после взрыва), для ранних выпадений от наземного ядер ног о взрыва с энергией 1 Мт (эффективная скорость ветра 24 км/час) [1].

за точку отсчета, приводит к преувеличению протяженности выпадений по направлению ветра. Для континентальных областей США обычно вполне допустимо предполагать отсутствие сдвига ветра. Однако если сдвиг ветра в «шляпке» грибообразного облака превышает 20°, то, согласно [1 ], масштабное соотношение, учитывающее скорость ветра, должно быть изменено. Изолинии мощностей дозы остаются без изменения, а расстояния умножаются на (и/24),/з. При этом контуры заметно расширяются и укорачиваются. Изменения среднего направления ветра с расстоянием от эпицентра можно учесть, соответственно изгибая контуры распределения.

Был разработан метод построения идеализированных контуров выпадений в направлениях против ветра и перпендикулярном к скорости ветра. Он основан на результатах испытаний бомб мощностью порядка мегатонны на полигоне атолла Эниветок. В основу расчетов положено предположение, что простирание выпадений против ветра зависит от трех факторов: а) максимальной протяженности облака в этом направлении, б) минимального времени, необходимого, чтобы частицы с наветренного края облака

достигли поверхности, и в) средней эффективной скорости ветра от поверхности до наивысшей части облака.

Данные, полученные в южной части Тихого океана, указывают на то, что основание облака обычно располагается в тропопаузе, которая над атоллом Эниветок находится на высоте 16,5 км, а над США — на высоте около 12 км. Среднее время, необходимое для оседания выпадений с наветренной стороны от эпицентра, на атолле Эниветок равно 30 мин. В континентальной части США вследствие меньшей высоты тропопаузы это время, вероятно, короче и равно приблизительно 24 мин (0,4 〃qc). Частицы близ наветренного края облака во время их опускания относятся ветром к эпицентру. Расстояние в километрах, на которое они относятся, на атолле Эниветок численно равно 0,5 эффективной скорости ветра (в км/час), а в США 0,4 этой величины. Делается также предположение, что радиус каждого контура не зависит от скорости ветра, но центры кругов-контуров смещаются по направлению ветра на то же расстояние, что и частицы, переносимые в этом направлении от края облака.

Радиусы контуров, вычисленных по данным, полученным на атолле Эниветок при нулевой скорости ветра, показаны на рис. 28 в функции полной мощности комбинированного наземного взрыва. На мощность ядерного взрыва приходилось 50?6. При другом процентном соотношении мощностей ядерного и термоядерного взрыва р указанные мощности доз надо умножить на р/50.

Для учета скорости ветра применяется следующий метод. Определяют средние скорости вплоть до высот 12 и 18 км и производят изменение масштабов, принимая меньшую из двух полученных величин. Направление ветра всегда считается совпадающим с направлением ветра на высоте 12 кль Чтобы получить смещение контуров по ветру от эпицентра, среднюю скорость ветра умножают на 0,4 для США и на 0,5 для взрывов на островах южной части Тихого океана. Материалы, необходимые для таких расчетов, для США можно получить из данных о высотных ветрах, публикуемых Бюро погоды США.

Описанные выше идеализированные распределения выпадений применяются в первую очередь для взрывов мощностью порядка мегатонн. Однако такой же подход может

быть применен и к взрывам килотонной мощности. Соответствующие методы описаны в [1 ].

Даже очень изощренные методы прогнозирования, такие, как построение математических моделей, не могут

Рис. 28. Радиусы зон в направлении против ветра для различных мощностей доз в момент, принятый за точку отсчета (1 час после взрыва), в функции полной энергии взрыва. Взрыв наземный, на 50% ——ядерный, на 50% ——термоядерный.

учесть всех возможных случайностей. Одной из наиболее существенных случайностей является дождь. Ситуации получаются совершенно различными, если облако частиц смещается в зону дождя или если взрыв происходит в грозу. Хотя вершины некоторых гроз заходят в стратосферу, в чем могли убедиться многие пассажиры реактивных самолетов, вершины большинства дождевых облаков обычно ниже 6 км. Облака от большинства ядерных взрывов под-

нимаются значительно выше, так что когда такие облака движутся поверх дождевых, гроза может оказать влияние только на самый нижний участок траектории падающей частицы. Основным последствием может быть весьма неправильное распределение радиоактивности на грунте.

С другой стороны, когда наземный взрыв происходит в грозу, большинство выпадений может конденсироваться и опускаться внутри полосы дождя. В этом случае все частицы размером больше нескольких микронов осядут значительно ближе к эпицентру, чем получается по прогнозу. Дождь очень эффективно вымывает крупные частицы, но совсем не оказывает влияния на частицы субмикронного размера, если только сами частицы не служат ядрами конденсации или сублимации, не принимают участия в первоначальном образовании дождевых капель или не агломерируют с облачными капельками посредством диффузии. Таким образом, даже в этом случае дождь может оказать мало влияния на вызванные взрывом глобальные выпадения. Опытных данных о влиянии дождя на ранние выпадения очень мало, так как большинство испытаний специально проводилось в такое время, чтобы избежать дождя.

Характер местности также оказывает значительное влияние на распределение выпадений, точно так же как он влияет на выпадение снега. Кроме того, рассмотренные выше распределения не учитывают возможного использования укрытий и дезактивации. Опыт показывает, что могут возникать «горячие пятна» (hot spots) неожиданно высокой радиоактивности. Появлению такого горячего пятна были, например, приписаны большие дозы излучения, полученные населением атолла Ронгелеп.

Сравнение прогнозов выпадений, выполненных для различных идеализированных распределений (в том числе и описанного выше) с учетом влияния ветра, было проведено Фербером и Хефтером [31]. Как и следовало ожидать, оно показало, что различные распределения могут дать очень разные результаты, особенно если интересоваться подробностями распределения выпадений для конкретного ядер- ного взрыва. При подсчетах возможных потерь такие распределения могут дать хорошую оценку их числа, но, поскольку некоторыми воздействиями ветра пренебрегается, можно сильно ошибиться в определении места этих потерь.

ГЛОБАЛЬНЫЕ ВЫПАДЕНИЯ

Локальные выпадения имеют практическое значение только в непосредственной близости от испытательного взрыва или в случае ядерного нападения с использованием наземных взрывов. Глобальные выпадения, напротив, остаются в воздухе в течение долгого времени и медленно оседают на поверхность, где они поглощаются человеком. Это может произойти прямым путем, когда человек съедает загрязненные овощи и фрукты, или косвенным — через животных, поедающих загрязненную пищу.

Тропосферные запаздывающие выпадения

Глобальные выпадения можно разделить на две категории: тропосферные и стратосферные. Первые быстро разносятся по всей Земле ветрами, обычно западными, но почти не переносятся через экватор. Тропосферные выпадения достигают поверхности за несколько месяцев. Некоторые из них попадают на грунт в результате прямого осаждения, но основным механизмом, по-видимому, является вымывание дождем и снегом.

Выметающее действие дождевых капель широко изучалось как экспериментально, так и теоретически. Действие снега известно плохо. Однако было показано, что количество запаздывающих выпадений в соседних областях тесно связано с количеством осадков в этих областях в то время, когда атмосфера содержит малые частицы радиоактивных выпадений.

Обширные полевые исследования действия осадков на отложение запаздывающих выпадений были предприняты Смоллом [32] в Кьеллере (Норвегия) с сентября 1956 по сентябрь 1959 г. Как указывает Смолл, одно время считалось, что размер частиц меняется с мощностью взрыва, и это может оказывать существенное влияние на общий характер глобальных выпадений. Поскольку распределение частиц в радиоактивном облаке по размерам определить трудно, Смолл решил посмотреть, какие выводы можно сделать из обычных измерений радиоактивности воз- духа и осажденной радиоактивности. Он нашел, что влажные и сухие отложения и радиоактивность почвы и воздуха,

возможно, связаны друг с другом. Как можно было ожидать, количество вещества выпадений, способного отложиться вместе с осадками, может зависеть от количества вещества, удаленного из близповерхностных слоев воздуха в результате оседания в сухом состоянии. Среднемесячные значения как влажных, так и сухих отложений хорошо коррелируют с радиоактивностью воздуха. Средняя скорость осаждения оценивается в 500 м в сутки в сухие дни и 3000 м в сутки —■ в дождливые. Это соответствует эффективному диаметру частиц в сухих выпадениях 6—7 мк. Смолл полагает также, что существует суточный эффект, ибо днем удаление частиц турбулентностью понижает радиоактивность находящихся в воздухе выпадений, тогда как ночью в более спокойном воздухе оседание происходит непрерывно. Все это означает, что большая часть радиоактивности в нижней тропосфере связана с довольно крупными частицами.

Хотя концентрация продуктов деления сильно меняется от одного дождя к другому, величины, усредненные за один или несколько месяцев, гораздо более постоянны, по крайней мере для мест со сходными метеорологическими условиями. В таких местах количество отлагающихся выпадений приблизительно пропорционально количеству осадков.

Мартелл [331 также рассматривал роль дождей и указал, что низкое содержание стронция-90 в почве в областях с малым количеством дождей было первым свидетельством в пользу того, что дождь является регулирующим фактором в отложении выпадений. Например, в Антофагасте (Чили), где дождей почти никогда не бывает, в январе 1956 г. уровень стронция-90 в почве составлял 0,008 мкюри/км2, что примерно в 100 раз меньше уровня, отмеченного в это время в области южного полушария с обильными дождями. Сходные результаты получены в районе Средиземноморья и в других частях света. Это иллюстрируется рис. 29.

Другое интересное наблюдение Смолла [32] состоит в том, что отношение радиоактивности дождевой воды к радиоактивности воздуха меняется в довольно узких пределах. За период наблюдений оно менялось от 0,2-10-6 до 2,0-10-6 в хорошем согласии с измерениями Блока [34] в Голландии (0,4 • 10-6—2,5-10-6), проведенными с сентября 1955 по апрель

1957 г. Однако эти отношения несколько ниже значения 3・10一6, полученного Хинцпетером [351 с июля по декабрь 1957 г.

Смолл пришел к следующим выводам:

Некоторое количество вещества выпадений от испытательных взрывов осаждается быстрее, чем ожидалось,

50ICO150Количество дождей, ом/^оЗРис. 29. Концентрация Sr90 в почве в функции годичного количества дождей [33]./ ——восточная часть Средиземного моря, февраль 1955 г.;2 — Южная Америка, январь 1956 г.50ICO150Количество дождей, ом/^оЗРис. 29. Концентрация Sr90 в почве в функции годичного количества дождей [33]./ ——восточная часть Средиземного моря, февраль 1955 г.;2 — Южная Америка, январь 1956 г.О о О г2, 7«rw<nd史 xf C06JS бгу&ЕНЗУАОХО о О г2, 7«rw<nd史 xf C06JS бгу&ЕНЗУАОХ

50ICO150

Количество дождей, ом/^оЗ

Рис. 29. Концентрация Sr90 в почве в функции годичного количества дождей [33].

/ ——восточная часть Средиземного моря, февраль 1955 г.;

2 — Южная Америка, январь 1956 г.

50ICO150

Количество дождей, ом/^оЗ

Рис. 29. Концентрация Sr90 в почве в функции годичного количества дождей [33].

/ ——восточная часть Средиземного моря, февраль 1955 г.;

2 — Южная Америка, январь 1956 г.

О о О г2, 7«

rw<nd史 xf C06JS бгу&ЕНЗУАОХ

О о О г2, 7«

rw<nd史 xf C06JS бгу&ЕНЗУАОХ

возможно вследствие гравитационного оседания относительно крупных частиц.

Особенно сильное осаждение может происходить в период, начинающийся через два-три месяца после серии мощных воздушных взрывов и длящийся несколько месяцев.

По эмпирическим данным о радиоактивности близ- поверхностного слоя воздуха над сушей и океаном можно предсказать скорость отложения выпадений как во влажном, так и в сухом состоянии.

Довольно тщательное исследование вымывания радиоактивных выпадений дождем проделал Дингл [36]. Он проводил автоматический сбор дождя при помощи коллектора дождевых капель. Сбор проб осуществлялся на протяжении всего дождя, и регистрировалась интенсивность его в функции времени. Пробы дождевой воды, собранные в большие лотки, фильтровались через ряд последовательных мембранных фильтров и подвергались радиохимическому анализу. Дингл полагает, что процессы вымывания связаны с процессами образования дождя.

Теоретическое исследование вымывания выпадений дождем было проделано Гринфилдом [37]. Теория, разработанная Ленгмюром, была видоизменена с учетом плотности твердых частиц; было сделано также предположение, что электростатическими эффектами в присутствии ионизующей радиации можно пренебречь. Он объясняет удаление из атмосферы частиц субмикронного размера при помощи механизма, включающего диффузию частиц в облачные капельки. Относительно крупные частицы в воздухе ниже дождевого облака будут удалены прямыми ударами капель, но частицы субмикронного размера удаляться не будут, если только они не перемешаны с облаком.

Конечно, очень малые частицы выпадений, несомненно, объединяются с более крупными и гигроскопичными естественными частицами, которые могут быть удалены при соударениях с дождевыми каплями. За достаточно долгий срок при помощи этого механизма могут быть удалены даже мельчайшие частицы выпадений.

Дингл и Гетц [38, 39] предложили механизм, объясняющий изменения со временем концентрации радиоактивных веществ в дожде, выпадающем из конвективных облаков в определенной точке Земли. Они предположили, что параметры, играющие важную роль в таких изменениях, можно разделить на две категории. Первая категория включает в себя параметры, меняющиеся со временем существования индивидуальной конвективной ячейки, в том числе вертикальный рост вершин облаков, интенсивность дождей, спектр размеров облачных капель и протяженность и скорость восходящих потоков. Вторая категория включает в себя параметры, меняющиеся в зависимости от горизонтального положения станции, на которой производится

сбор проб, по отношению к центру и границам индивидуальной ячейки. Одним из таких параметров является относительная степень проникновения наружного воздуха в различные части содержащих дождь нисходящих потоков. Близ фронтальной границы нисходящих потоков, вероятно, происходит проникновение в них окружающего не промытого дождем воздуха. Степень перемешивания наружного воздуха с воздухом нисходящих потоков, вероятно, уменьшается к их центру, или же загрязняющие частицы удаляются из наружного воздуха, прежде чем он достигнет центральных частей нисходящих потоков. Таким образом, дождь близ переднего края нисходящих потоков должен содержать выпадения в более высокой концентрации, чем дождь во внутренних частях тех же потоков. По мере того как ячейка проходит через станцию, концентрация выпадений со временем должна уменьшаться. Интенсивность дождей и распределение капель по размерам также частично зависят от пространственного положения станции.

Согласно Динглу и Гетцу [38], полевые исследования концентрации радиоактивных веществ в дожде из конвективных облачных систем убедительно показывают, что изменения концентрации со временем регулируются процессами, меняющимися в зависимости от положения внутри отдельной конвективной ячейки и системы ячеек. Есть также серьезные указания на то, что резкие скачки концентрации могут повторяться, если системы ячеек удалены друг от друга на некоторое расстояние. Если ячейки смежные, то первый по ходу ячеек восходящий поток примыкает только к ведущей ячейке н изменения концентрации происходят только в первых одной-двух ячейках. В этом случае концентрация достигает минимума, сохраняющегося в течение всего времени прохождения ячеек.

Гетц и Дингл [39] проделали анализы содержания радиоактивных веществ и пыльцы в дождевой воде из ряда поеледовательных проб, собранных в пяти конвективных облачных системах. Концентрации пыльцы и радиоактивных частиц испытывали одинаковые изменения со временем в течение трех гроз с наибольшим выпадением дождя. В начале дождя происходило быстрое уменьшение концентрации. Во время дождей с наименьшей интенсивностью этого не наблюдалось. Это сходство поведения пыльцы и

Глобальный^й?Дени^ 一二二后；59

радиоактивности Гетц и ДиЙ^^'^ссматрива^т 式玄卜空长典&〔 тельство того, что обе пр困塀工：£说®?肉@寸並至 в одном и том же воздухе. Так как 欣亨静三吏к 厘/з衣段 находится ••' на поверхности Земли, эти иссФ5?*Р^Т^л?' 'ВД^Ч1*13к к вьюоду, что и пыльца, и радиоактий^?^^ про^икаВот в конвектиз- ную систему из нижних сл嗯:旗煎УХ云 через кодае^вныё восходящие потоки. Они n&g橘g『га«應,7触 отсутствие быстрого уменьшения конце喲向Й^к в ■。唾才舌 Йалбй .интенсивности может быть внзва 解•'琢»в唯蘭 в с%геме правильных устойчивых восхо勺金融W ^потоков.. *Э^^. ряееу жжения, возможно, и правильный^ 飴 пдлЬжйтёйьнЬй кррреля- ции между двумя перемен^^й} ^1?^ ^ следует вывод относительно общности их 瘠哆昼我印::二?. )

что в глобальные выпадениячто в глобальные выпадениярассеянные врассеянные втропосферных запаздывающетропосферных запаздывающеОтносительное количеств^! з^азДБгЗающих выпадений, выбрасываемых в стратосф^Й 京 троноС^еоУ； згзйсит о? мощности оружия, высоты, m畜 кртррой 'происходит te?bI3； и высоты тропопаузы в мест^г!взРЬ1в^.^В.случае 1,иаземй5ь1х^ подземных или подводных вЭ^Ь^Ф' очень -большой 硬。*Нт радиоактивности будет свя^йЙ ^ крупньШи частицамй ； к осядет на Землю в виде локЖ#» выпадений^ е^т^ется, :\'«ад^гд；аёт "Зт 30 до 80% полной радиоактивности, образуемс^^,Н^^атЯ^н^^к ；戸3浄:玄竺*g ：ga поверхности воды. Таким (或，競&м? ®ркр；ода'■ rpjrBTa, поскольку она влияет на кол砾龍工鸵 вознйха^^кхкрупных частиц, будет в значительнс'Д^^Н 奪#励朋乒 колнчестёо глобальных выпадений, вн前撥专呼曲卒予 йтмосоер^ ；噂н наземных и подземных взрый'йЖ fcpdMeiTdro, грунт 豆毎瑛工 облаке, умен嚙働胃.ма侬нмал”у臥呼8屯 достигаемую облаком, и тем/證韜"革 мб可т увеличить .да^ю

что в глобальные выпадения

что в глобальные выпадения

рассеянные в

рассеянные в

тропосферных запаздывающе

тропосферных запаздывающе

Высота, до которой под隣如囱£旦0g承维,叫з。玄с?券孑с увеличением мощности взрь證嫉 a RO闘X。qi ^аломодйосо взрыва близ поверхности ЗеМ隱£图纟竺е£/е _工6?窘岂士 трогй- паузы. Большая часть ра/ш嗅模滩r9自白.隆-峥壮吧0*9支 душных взрывов может бытК;: ^：3^^^. 99 стрйтосфёрными глобальными выпадениями н《£酸方§«6 пдаоглу^ 5<го большинство частиц достигает страто(Й|^» цо такзке- й потому, что они относятся к субмнкро囁产晡 ^иг^азопу 1разме^ов и оседают очень медленно. I^l •< ；二 ：\

Широта, на которой проводит ;в^рхв；-/ т^ .эажна для распределения субмнкрЗьннх 抽ст玄и 欣е^цу стр/о-

сферой и тропосферой, потому что тропопауза в тропиках выше, чем в средних широтах. Как указывалось выше, в одном случае типичная высота равна 16,5 км, а в другом 12 к加.Ядерные взрывы в США более благоприятствуют образованию запаздывающих выпадений, чем аналогичные взрывы в тропиках. В работе [1 ] приведены графики, по которым полуколичественно можно оценить теоретический процент выброшенного в стратосферу стронция-90 в функции полной мощности и условий взрыва.

В действительности происхождение тропосферных глобальных выпадений может быть по меньшей мере двояким. Во-первых, частицы выпадений могут быть непосредственно выброшены в тропосферу ядерным взрывом, во-вторых, стратосферные выпадения могут переходить в тропосферу. По мере увеличения времени, прошедшего после взрыва, процент тропосферных выпадений из стратосферы должен увеличиваться. Если стратосферные выпадения в момент выброса состояли из частиц меньшего размера, чем тропосферные, то это приведет к уменьшению размеров частиц с течением времени. Однако такой же эффект возникает и при оседании более крупных частиц из равномерно перемешанного, но полидисперсного аэрозоля.

Было проведено несколько исследований распределения размеров радиоактивных частиц в тропосферных запаздывающих выпадениях. Калкстейн и др. [40] определили ^-активность частиц, собранных на высоте 10 м над землей при помощи двухкаскадного импактора с мембранным фильтром на выходе. Образцы собирались в сельских районах с июля 1958 по февраль 1959 г., каждый раз в течение недели. В импакторе не создавалось резкого разделения частиц по диаметру, но результаты все же показывают сильную зависимость от размеров. Примерно 57% радиоактивности было связано с частицами диаметром около 1,8 мк и примерно 8% —с частицами, собранными на фильтре, т. е. диаметром меньше 0,2 мк. Как указал Юнге [411, это распределение аналогично распределению масс естественных частиц. Это значит, что для большей части диапазона размеров естественных аэрозолей отношение величины радиоактивности к массе заметно не меняется. Совершенно иные результаты получили Росинский и Стокхем 142]. Они нашли, что ^-активность увеличивается с уменьшением размера

частиц: 56% радиоактивности связано с частицами диаметром меньше 1 мк; 19% — с частицами больше 2 %к н 25% — с частицами от 1 до 2 мк. И те и другие результаты показывают, что тропосферная радиоактивность связана с более крупными частицами, чем стратосферная.

Стратосферные запаздывающие выпадения

Прежде чем перейти к обсуждению стратосферных запаздывающих выпадений, полезно сделать обзор тех свойств атмосферы, которые оказывают заметное влияние на перемещение таких выпадений по Земле.

Как уже говорилось, свойства тропопаузы (верхней части тропосферы) зависят от широты. Тропопаузу разделяют на три части. Наибольшую высоту (16,5 км) имеет полоса вдоль экватора, простирающаяся в обе стороны до средних широт. На границах экваториальной тропопаузы имеются разрывы; северная и южная части тропопаузы значительно ниже и наклонены к полюсам. Тропопауза соответствует области, где кончается понижение температуры с ростом высоты. Тропопауза — это не определенная высота, на которой происходит изменение хода температуры, а скорее узкая область атмосферы. Ее высота и форма меняются с временем года. Воздух над тропопаузой, в стратосфере, обладает меньшей турбулентностью, чем в тропосфере (хотя турбулентность все же существует), и обмен воздухом между стратосферой и тропосферой вдет довольно медленно. Наиболее четко выражена тропопауза над тропиками, так как сразу над тропопаузой температура с высотой возрастает. В средних широтах непосредственно над тропопаузой существует изотермическая область, которая в верхней части стратосферы сменяется инверсией (ростом температуры). Зимой в течение полярной ночи тропопауза практически может исчезать.

Считается, что обмен воздухом между стратосферой и тропосферой происходит в основном через разрывы в средних широтах. Эти разрывы представляют собой области необычно сильной турбулентности и, как правило, связаны с полярными фронтами. Было высказано также предположение, что частично обмен воздухом между стратосферой 6—1275

н тропосферой вызывается своего рода «накачивающим» действием небольших колебаний высоты тропопаузы со временем.

Как упоминалось выше, некоторые грозы проникают через тропопаузу. Было высказано предположение, что они создают сильное, хотя н локальное перемешивание стратосферного н тропосферного воздуха.

Были разработаны довольно сложные теории циркуляции стратосферы и верхней тропосферы, включающие обмен воздухом между стратосферой н тропосферой. Ниже мы излагаем упрощенный вариант теорий Добсона 143] и Брюера [44], которые несколько различаются в деталях. Влажный тропический воздух поднимается к холодной тропопаузе, где он теряет большую часть своей влаги вследствие конденсации. Затем он либо проникает через тропопаузу и распространяется в стратосфере к полярным областям (Брюер), либо, что более вероятно, распространяется к полюсам по тропопаузе, проникая в стратосферу в основном через упомянутые выше разрывы. Назад в стратосферу воздух опускается близ полюсов, особенно поздней зимой или ранней весной, когда он наиболее холодный н тяжелый. Это создает общую медленную циркуляцию. Между временем, когда воздушные массы поднимаются близ экватора, и временем, когда они опускаются в умеренных или полярных районах, могут пройти месяцы или даже годы.

Частицы выпадений в стратосфере очень малы. Дре- винский и Мартелл [45] исследовали размеры частиц при помощи импактора с пропускной способностью 27 м3 воздуха на каждую пробу. Этот импактор устанавливался на воздушном шаре. Он состоял из четырех отдельных цилиндров, присоединенных трубкой к общей насосной системе и запрограммированных каждый в отдельности так, чтобы во время одного полета воздушного шара получался вертикальный разрез по четырем точкам. Эти точки соответствовали диапазонам высот 9—15,15—21, 21—27 и 27—30 км. Каждый цилиндр был оборудован двухкаскадным импактором с полистироловым волокнистым фильтром на

выходе. Импакторы были спроектированы и прокалиброваны таким образом, что в средней точке диапазона высот, на который они рассчитаны, первая и вторая ступени импактора имели эффективность сбора 50% для частиц диаметром 0,3 и 0,04 мк соответственно. В нижней стратосфере было собрано несколько проб, относящихся к отдельным уровням, при помощи импактора с волокнистым фильтром на выходе, прокалиброванного при диаметрах частиц 0,36 и 0,018 мк. Эти приборы были подняты над Миннеаполисом (штат Миннесота) и над Хайдерабадом (Индия). Над Хайдерабадом были собраны также более массивные пробы при помощи полистиролового волокнистого фильтра площадью 0,9 м2 [46].

Было обнаружено, что большая часть 3-активности в нижней стратосфере приходится на второй каскад импактора. Это указывает на то, что большая часть радиоактивности была связана с частицами, диаметр которых попадает в диапазон 0,04—0,30 мк в предположении, что плотность их равна 2 г/см3. Существует заметное влияние высоты на интервал размеров частиц, с которыми связана большая часть радиоактивности. От 60 до 80% р-актнвностн в интервале высот 27—30 км было связано с частицами, диаметр которых меньше 0,04 мк. И над Индией, и над Миннесотой были получены сходные результаты.

Радиоактивные частицы, образующиеся при ядерном взрыве н выбрасываемые в стратосферу, будут, конечно, агломерировать со взвешенными в воздухе естественными частицами. Как уже говорилось более подробно в гл. III, Юнге и его сотрудники [41, 47—50] нашли три типа частиц, различающихся по размерам, составу и характеру изменения концентрации с высотой в стратосфере ниже 24 км. Концентрация частиц диаметром меньше 0,2 мк уменьшается с увеличением высоты над тропопаузой. Эти частицы, вероятно, тропосферного происхождения. Частицы диаметром 0,2—2,0 мк состоят преимущественно из сульфатов, в основном, вероятно, из сульфата аммония. Юнге утверждал, что они образуются при фотохимических реакциях в стратосфере, но Мартелл [51 ] предположил, что они могут возникать при коагуляции ядер Эйткена тропосферного происхождения. В стратосфере было найдено также небольшое количество частиц диаметром больше 0*

2,0 %к; эти частицы могут быть внеземного происхождения. Взаимодействие между радиоактивными и нерадиоактивными частицами обсуждалось Мэнсоном [52]. Были сделаны расчеты скорости убыли вследствие коагуляции и времени жизни радиоактивных частиц различного размера, находящихся в смеси с естественными частицами. Расчеты основывались на теоретических соображениях Зебеля [53].

Мэнсон пришел к выводу, что постоянный приток радиоактивного вещества на высоту максимума концентрации сульфатов (〜20 к%) обусловлен поступлением мелкодисперсных радиоактивных частиц с больших высот. Он полагает, что результаты Древинского и Мартелла [45], показывающие связь радиоактивности верхней стратосферы с очень мелкими частицами, подтверждают этот вывод. Мэнсон далее делает вывод, что на высоте примерно 20 км существует динамическое равновесие между притоком радиоактивных частиц, образованием сульфатных аэрозолей и переносом тех и других в тропосферу, а также что радиоактивные частицы могут служить ядрами конденсации для сульфатных частиц. В последнем случае агломерация нескольких радиоактивных частиц на более крупной сульфатной частице происходить не может.

Приведенные выше соображения подчеркивают значение того факта, что частицы запаздывающих выпадений малы и, вероятно, остаются малыми по крайней мере до тех пор, пока они не проникают в тропосферу. Оседание отдельных частиц из стратосферы не является существенным механизмом переноса их в тропосферу. Это иллюстрируется рис. 30, на котором показано выраженное в годах время падения частиц разных размеров с различных высот до тропопаузы.

Таким образом, частицы ведут себя так, как если бы они были молекулами. Они проникают в тропосферу только при вторжении в нее стратосферного воздуха. Благодаря тому что радиоактивные частицы легко отождествляются, запаздывающие выпадения служат прекрасным индикатором движения воздушных масс.

С физиологической точки зрения наиболее важными радиоизотопами в запаздывающих выпадениях являются, вероятно, стронций-90 и цезий-137. Оба они имеют большие

периоды полураспада (27,7 и 30,5 лет соответственно) и составляют относительно большую долю продуктов деления, имеющих значительный возраст. Стронций имеет тенденцию накапливаться в костях. При изучении запаздывающих выпадений часто определяется содержание именно этих изотопов, особенно стронция-90.

Стратосферные ветры в зависимости от времени и места имеют преимущественно восточное или западное направление. Поэтому, когда радиоактивнее облако выбрасывается

2020101002 468 1О 12 14 16 /S 20 22Время падения, годы02 468 1О 12 14 16 /S 20 22Время падения, годыРис. 30. Время падения сферических частиц под действием силы тяжести с различных высот до тропопаузы (рассчитано по формуле Стокса — Каннингхема), по Е. Мартеллу.Рис. 30. Время падения сферических частиц под действием силы тяжести с различных высот до тропопаузы (рассчитано по формуле Стокса — Каннингхема), по Е. Мартеллу.££ coEoazg££ coEoazg

20

20

10

10

02 468 1О 12 14 16 /S 20 22

Время падения, годы

02 468 1О 12 14 16 /S 20 22

Время падения, годы

Рис. 30. Время падения сферических частиц под действием силы тяжести с различных высот до тропопаузы (рассчитано по формуле Стокса — Каннингхема), по Е. Мартеллу.

Рис. 30. Время падения сферических частиц под действием силы тяжести с различных высот до тропопаузы (рассчитано по формуле Стокса — Каннингхема), по Е. Мартеллу.

££ coEoazg

££ coEoazg

в атмосферу, оно стремится вытянуться параллельно экватору и в конце концов опоясывает Землю. В то же время оно расширяется и до некоторой степени растягивается в вертикальном направлении в результате турбулентной диффузии. Происходит также постепенное смещение облака к полюсу.

Было предложено несколько интерпретаций результатов измерений стронция-90 в выпадениях. Основными особенностями их, подлежащими объяснению, являются максимум осаждения Sr90 в средних широтах северного полушария и резкое увеличение весной скорости осаждения Sr90, наблюдавшееся в течение нескольких лет.

Либби [54] предположил, что радиоактивные выпадения, выброшенные в стратосферу, за один-два года равномерно распредел я ются над обоими полушариями н «среднее время сохранения» их составляет 10 ± 5 лет. Он полагает, что стратосферные выпадения равномерно рассеиваются по земной поверхности, если не считать колебаний, вызванных дождями. Как увеличение выпадений в средних широтах, так и высокие скорости осаждения их весной он приписывает тропосферным запаздывающим выпадениям от относительно маломощных взрывов.

С другой стороны, Мартелл [33] на основании анализа возраста радиоактивных осколков пришел к выводу, что существенный вклад в весенний пик могут вносить стратосферные выпадения, попавшие в стратосферу незадолго до того, как выпадения достигают поверхности. Эта гипотеза согласуется с теориями стратосферной циркуляции Врюе~ ра и Добсона, которые предсказывают весной более быстрое направленное вниз вертикальное перемешивание.

Мияке и др. [55] наблюдали сезонные колебания радиоактивных выпадений в Японии. Они нашли, что удельная радиоактивность дождевой воды или воздуха была значительно больше, когда на высоте 5,5 км или выше располагалась барическая ложбина, а середина струйного потока находилась над Токио или немного южнее. Так как такие метеорологические условия часто имеют место в Японии в марте—июне, Мияке н др. считают, что они, возможно, и являются причиной весеннего максимума.

Махта, Лист и Телегадас [56] пришли к выводу, что независимо от источника стратосферных выпадений их распределение по грунту и в близповерхностном слое воздуха характеризуется пиком в умеренных зонах.

Густафсон, Брар и Керриган 157] описали результаты радиохимических анализов близповерхностного воздуха, собранного с начала 1952 по 1962 г. в Аргон некой национальной лаборатории. Они также обнаружили весенний максимум, но пришли к заключению, что на основании их результатов и других измерений невозможно выявить механизм, образующий этот максимум. Для того чтобы оценить среднее время пребывания в стратосфере продуктов

взрыва из различных источников, они сравнили концентрации цезия-137 в близповерхностном воздухе во время последовательных максимумов и минимумов. Время пребывания в стратосфере колебалось от 6—10 месяцев в октябре 1958 г. и от 8—15 месяцев для взрывов серии «Хардтэк» до нескольких лет для выпадений с больших высот, прослеживаемых по наличию Rh102.

Единственный вывод, который можно сделать из результатов, полученных различными группами, состоит в том, что само понятие о времени пребывания или о характерном времени жизни как для тропосферных, так и для стратосферных выпадений в лучшем случае имеет лишь качественный смысл. Эти понятия имеют строгий смысл только для стационарных условий, а в нестационарных условиях — в том случае, когда удаление выпадений из стратосферы является процессом первого порядка, т. е. скорость его пропорцион ал ьна первой степени концентрации.

Следует также отметить, что сезонные вариации скорости выноса из стратосферы находят свое отражение в соответствующих, хотя и запаздывающих сезонных вариациях скорости осаждения выпадений на поверхность. Однако полезно знать даже приближенные пределы, в которых находится «время пребывания». Юнге [58] приводит следующую таблицу величин, относительно которых к осени 1962 г. было достигнуто общее согласие:

Низкие широты Высокие широтыНизкие широты Высокие широтыНижняястратосфера1—2 года0,5—1 годНижняястратосфера1—2 года0,5—1 годВерхняя стратосфера около 5 лет около 1—2 лет.Верхняя стратосфера около 5 лет около 1—2 лет.

Низкие широты Высокие широты

Низкие широты Высокие широты

Нижняястратосфера

1—2 года

0,5—1 год

Нижняястратосфера

1—2 года

0,5—1 год

Верхняя стратосфера около 5 лет около 1—2 лет.

Верхняя стратосфера около 5 лет около 1—2 лет.

В 1958 г. было проведено большое количество разнообразных испытаний ядерного оружия. С 1958 г. по сентябрь 1961 г., когда был нарушен мораторий на испытания, крупных выбросов выпадений в атмосферу не было. При некоторых испытаниях 1958 г. образовались особые радиоактивные индикаторы. Некоторые из них можно было отождествить еще через несколько лет. Таким образом, существовала особенно благоприятная ситуация для изучения стратосферных процессов. Как у поверхности, так и в атмосфере,

вплоть до стратосферы, было собрано необычно большое число проб.

Обзор глобальной истории продуктов ядерных взрывов 1958 г. и ее метеорологического смысла был сделан Теле- гадасом и Листом [59]. Они рассмотрели два нуклида —продукта деления и два нуклида, возникшие в результате нейтронной активации: стронций-90, церий-144, родий* 102 и вольфрам-185. Были проанализированы результаты сбора проб с самолетов до высоты 21 *м над большей частью северного полушария и результаты сбора проб при помощи воздушных шаров до высоты Ж км на 45 и 31 ° с. ш. Их выводы в общем согласуются с предложенным выше механизмом. Так, они считают, что продукты взрыва, выброшенные на высоте более 43 км над экваториальными областями, опускаются в полярной стратосфере и затем перемещаются вниз и по направлению к экватору. Севернее 35° с.ш. между высотами 14 и 20 км скорость перемещения вниз в зимнее время оценивается приблизительно в 1,5 KM за месяц. Теле- гадас и Лист полагают, что основным механизмом переноса является не вертикальная турбулентная диффузия, а движения воздушных масс. Они считают, что распределение выпадений, выброшенных в нижнюю экваториальную стратосферу вплоть до 〜35° с. ш., определяется перемешиванием, однако распределение севернее этой широты при помощи простой модели не объясняется.

Поведение малых частиц в стратосфере и тропосфере в определенной степени подвержено влиянию фотофореза и термофореза. Орр и Кенг [60] использовали лабораторные изменения эффекта фотофореза, чтобы определить возможную величину его влияния в стратосфере. Фотофорез заключается в разнообразных движениях, которые совершают взвешенные в газе частицы при освещении их пучком света. Движения могут быть прямолинейными, круговыми, эллиптическими или даже происходить по траекториям, имеющим форму восьмерки. Принято считать за положительное действие фотофореза движение от источника света, а за отрицательное——движение по направлению к источнику. Обычно считается, что фотофорез — это радиометрический эффект, и движение почти наверняка вызвано неравномерным нагревом частиц. Если это так, то отрицательный фотофорез должен вызываться тем, что энергия каким-то об-

разом проходит через всю частицу и собирается у ее обратной стороны.

Орр и Кенг применяли практически ту же методику эксперимента, которой пользовались Розен и Орр 1611. Были получены величины сил фотофореза для частиц из хлористого натрия и цинка. Первые были выбраны вследствие метеорологического интереса, который они представляют, вторые, как можно надеяться, до некоторой степени могут изображать частицы выпадений и осколки метеорных тел. Диаметры частиц находились в пределах 0,2—4 мк. Частицы хлористого натрия исследовались при давлениях 30 и 50 мм pm. czn., цинковые частицы —— при давлениях 4 и 10 мм рт. ст. Несколько опытов было проведено при солнечном свете, но большинство их осуществлялось с применением ртутной дуговой лампы высокого давления, а затем производился пересчет на интенсивность излучения Солнца, равную 0,108 вт/см2.

Давления 4, 10, 30 и 50 мм рт. ст. соответствуют приблизительно высотам 40, 32, 27 и 22 км. Для каждого давления и типа частицы абсолютная величина результирующей скорости увеличивается с ростом размера частицы. Большей частью скорости (с точностью до порядка величины) равны скоростям, обусловленным силой тяжести. Наибольшая скорость, отмеченная при фотофорезе, равна 0,313 см!сек для частицы хлористого натрия диаметром 4 мк при давлении 50 мм рт. ст. Это примерно вдвое больше скорости осаждения на этой высоте. В предположении, что указанная интенсивность солнечного света существует в течение 12 час каждые сутки, это соответствует перемещению на 1 км за 8 суток. Для частиц субмикронного диаметра скорости примерно на порядок меньше. Кажется маловероятным, что фотофорез может внести заметный вклад в перенос радиоактивных выпадений к поверхности Земли.

В основном к тем же выводам можно прийти, рассматривая и тепловые силы [62]. Они могут иметь значение тачько для осаждения частиц, находящихся в зоне очень большого тем пер ату рного градиента, подобного тому, который иногда наблюдается в близповерхностном пограничном слое воздуха.

Выпадения из верхней атмосферы

Как указывалось ранее в этой главе, о природе радиоактивных частиц в очень высоких слоях атмосферы известно мало. Однако в основном они должны быть субмикронного размера. Для изучения перемещений вещества с очень больших высот были осуществлены два высотных ядерных взрыва. Это взрыв «Орандж» из серии ядерных испытаний «Хардтэк», произведенный И августа 1958 г., и взрыв «Старфиш» 9 июля 1962 г. Оба взрыва были осуществлены над о. Джонстон (16° с. ш., 170° з. д.). Первый взрыв произошел на высоте примерно 43 км, второй — на высоте около 400 км. При взрыве «Орандж» образовался Rh102, который можно было использовать в качестве индикатора, а при взрыве «Старфиш» ——Cd109.

При первом из этих взрывов образовалось Rh102 око- ло 3 Мкюри. Вероятно, почти сразу после взрыва облако достигло высоты более 100 км. При помощи фильтров были собраны пробы стратосферных и тропосферных частиц. Анализ их был проведен путем химического выделения родийсодержащей фракции и последующего измерения при помощи счетчика у-излучения, возникающего при распаде Rh102 [63]. В действительности образуются два изомера Rh102: один с периодом полураспада 210 дней, а другой —— примерно 4 года [64]. Оба изомера распадаются посредством захвата электрона с образованием характеристического у-излучения с энергией 475 кз&

Во время серии испытаний «Хардтэк» весной и в начале лета 1958 г. образовалось также значительное количество вольфрама-185. Полное количество образовавшегося W185 было оценено в 250 Мкюри; заметная доля его должна была проникнуть в стратосферу. Образовались также меньшие количества изотопов W181 и W188.

Пробы стратосферных частиц были собраны на фильтры с самолета U-2 вплоть до высоты 21,3 км, а также с воздушных шаров. Результаты анализов показали резкое увеличение концентрации Rh102, начавшееся в конце осени 1959 г. и продолжавшееся в течение первой половины зимы. Калк- стейн [63] предполагает, что этот период совпадает со временем, когда можно ожидать направленных вниз перемешивающих движений, связанных с развитием возмущений

в полярных областях. Это согласуется с упомянутыми выше выводами относительно продуктов взрыва, выброшенных первоначально в нижнюю стратосферу. Полученные данные согласуются с гипотезой о мощных направленных вниз перемешивающих движениях, существующих зимой в высоких широтах, и последующих горизонтальных перемещениях в нижней стратосфере. Наблюдалось также увеличение концентрации в стратосфере южного полушария во время местной зимы. Это также указывает на наличие зимой в высоких широтах направленных вниз перемешивающих движений.

После середины 1960 г. концентрации Rh102 распределялись достаточно равномерно. Они были одинаково велики в высоких широтах обоих полушарий и значительно меньше в низких широтах.

Концентрации вольфрама-181, наблюдавшиеся в течение 1959 г. в обоих полушариях, различались меньше, чем концентрации Rh102. Отношения активностей Rh102/W181 говорят о том, что перемешивание в атмосфере Rh102 совершенно отлично от перемешивания W181. Если большая часть Rh102 образовалась на гораздо больших высотах, чем W181, то этого и следовало ожидать.

Калкстейн оценил время пребывания Rh102, выброшенного под большие высоты, в 10 лет. Он получил также оценку верхнего предела размера частиц. Это было сделано в предположении, что выше 100 км существует сильная горизонтальная молекулярная диффузия, а также что имеет место значительная турбулентная диффузия. Таким образом, можно ожидать, что выше 100 км глобальное распределение выпадений быстро становится равномерным. Калкстейн предположил далее, что частицы опускаются до меньших высот (80 км) только в результате молекулярной диффузии и гравитационного осаждения. Последний процесс более существен. Затем по скорости оседания частиц и времени появления высотного Rh102 в нижней стратосфере был оценен верхний предел диаметра частиц 0,02 мк. Ниже 80 км определяющим фактором должен быть перенос воздушных масс.

В тропосфере концентрации в течение 1960 г. оставались довольно низкими. Первое заметное увеличение их произошло в начале 1961 г. Эта годичная задержка между увеличением концентраций в стратосфере на высоте примерно

20 км и в тропосфере на высоте около 5 км означает следующее 163]. В течение периода задержки и до весны I960 г. Для сильного перемешивания стратосферы непосредственно над тропопаузой времени было недостаточно. Таким образом, в 1960 г. в тропосфере не было весеннего максимума. Результаты тропосферных измерений для следующей весны говорят о наличии вертикальных градиентов, аналогичных градиентам для других стратосферных выпадений и озона.

При взрыве «Старфиш» на высоте около 400 км над о. Джонстон образовалось приблизительно ^^Мкюри кадмия-109 [65]. Cd109 (период полураспада 470 суток) распадается посредством захвата электрона до Ag 向 画呢凡), который путем изомерного перехода с энергией 88 кэв превращается в стабильный изомер Ag109. Образовалось также 0,13 Мкюри долгоживущего изомера Cd113. Кадмий-109 был впервые обнаружен в стратосфере при сборе проб на воздушных шарах в декабре 1962 г. на высоте более 30 км в южном полушарии.

Пробы, собранные ниже 20 км, впервые определенно показали присутствие Cd109 в середине 1963 г. Первое заметное увеличение концентраций Cd109 произошло в южном полушарии ранней весной 1963 г. Концентрации достигли максимума в высоких широтах южного полушария в конце ноября. Калкстейн и др. [65] указали, что это произошло на 3 месяца позже, чем соответствующее увеличение концентраций родия в северном полушарии зимой 1959——1960 г. Это находится в согласии с разницей во времени появления крупных зимних возмущений в области околополюсного вихря [66]. После ноября концентрации Cd 1。9 быстро уменьшались, возможно потому, что пробы, взятые в ноябре на 44° и 48° ю. ш., попали на горячее пятно [65].

Обычные возмущения в полярной области зимой 1963/64 г. в северном полушарии были весьма умеренными. Главное возмущение произошло в конце зимы. Это согласуется с результатами измерений Cd109, которые показывают уве- личение концентрации, начавшееся в декабре или январе и достигшее наивысшего уровня в марте—апреле 1964 г. 165]. Концентрации в северном полушарии были соответственно ниже, чем в южном.

Стратосферные концентрации Cdi°° были примерно вдвое меньше, чем ожидалось на основании измерений концентраций родия от испытательного взрыва «Орандж». Калкстейн предполагает, что это может быть следствием того, что скорость переноса кадмия в нижней стратосфере была меньше средней. Не исключено также, что произошла утечка некоторого количества Cd109 из магнитного и гравитационного поля Земли или же, что оценка количества Cd109, образовавшегося при взрыве, была завышена.

Выпадения, образующиеся в результате аварий

Выпадения, образующиеся в результате аварий, почти всегда будут тропосферными. Будут ли они ранними или запаздывающими, в основном зависит от размера частиц. Очень подробно было изучено перемещение, диффузия и осаждение радиоактивных веществ, выделившихся во время описанной выше в этой главе аварии в Уиндскейле [24—— 26]. Измерения радиоактивности частиц, осевших на фильтрах, и радиоактивности близпочвенного воздуха показали, что выделение радиоактивных веществ в основном происходило в течение 24 час с 12ll00m 10 октября до 12h00m гринвичского среднего времени 11 октября. В начале выделения ветер у вершины трубы был слабым и в основном юго- западным. Приблизительно между 01h00m и 02l100m 11 октября через Уиндскейл прошел холодный фронт, после чего ветер сменил направление на северо-западное и усилился.

Во время аварии во многих индустриальных районах Великобритании и Европы проводился контроль чистоты воздуха при помощи фильтров. Так как фильтры сменялись каждые 24 час (кроме субботы и воскресенья), удалось получить грубое представление о перемещении и распространении облака радиоактивных продуктов. Собранное на фильтрах вещество было проанализировано на содержание в нем иода-131, цезия-137 и полония-210.

Результата анализов показали, что к концу 24-часового периода радиоактивность с уровнем по меньшей мере 10一12 кюри"? распространилась двумя языками, один над западным Йоркширом, а другой над Ланкаширом, и прошла расстояние около 200 км. За следующие 24 час радиоактив- ное облако рас простран илось до Бельгии. Край его достиг запада ФРГ и юга Голландии. Область высокой радиоак-

тивности (порядка 1О~10 кюри!^ в пересчете на 10 октября) простиралась от южного Ланкашира до Лондона. Довольно высокая радиоактивность наблюдалась вдоль южного побережья Англии. Фильтр в Харроу показал, что облако впервые достигло окрестностей Лондона незадолго до 18h00ra И октября, пик радиоактивности был достигнут в 02h00m на следующий день, а к 12h00m 12 октября радиоактивность упала до 10% пикового значения. Облако двигалось на северо-восток и достигло Южной Скандинавии 15——16 октября.

Осажденная радиоактивность изучалась двумя способами. Один способ заключался в лабораторных анализах образцов травы или травы вместе с почвой. Другой способ состоял в полевых измерениях мощности дозы у-излучения, обусловленной осажденной радиоактивностью, при помощи у-дозиметра. Результаты были исправлены за фон естественной радиоактивности и за радиоактивность, обусловленную выпадениями от далеких ядерных испытаний. Была введена также поправка за уменьшение радиоактивности вследствие распада за время, протекшее от момента выделения радиоактивных веществ до момента измерений.

Самая высокая радиоактивность, порядка 20—30 мккюри/м2, как и следовало ожидать, была найдена в окрестностях места аварии. Самая высокая концентрация осажденного I131 была найдена примерно в 6 км от Уивдскейла по направлению ветра. Самая высокая концентрация Cs137 была найдена на расстоянии 1 км в том же направлении. Изолинии равных мощностей доз заметно отличались от идеализированных контуров рис. 27. Они были очень извилистыми и показывали наличие нескольких очагов. Около % Мкюри/км2 у-излучения с энергией 1 Мэв на высоте 1 м над грунтом создает мощность дозы порядка 7 рентген/ /час、Таким образом, наивысшая мощность дозы, приведенная ко времени выделения радиоактивных веществ, была порядка нескольких рентген!час. Эта мощность дозы слишком мала, чтобы вызвать сильные физиологические эффекты, но нежелательна, поскольку следует избегать любых доз радиации, превышающих естественную.

Чемберлен [24] оценил скорость осаждения в 0,3 — 0,4 см/сек. Ее можно приписать оседанию частиц графита диаметром ^8мк или частиц окиси урана диаметром —4мк.

Однако, судя по радиоавтографам собранных частиц, со столь крупными частицами была связана лишь малая доля радиоактивности. Чемберлен предположил, что более вероятным механизмом является диффузия паров и частиц к грунту. В основном это могла быть турбулентная диффузия, причем на осаждение радиоактивности на грунт и другие поверхности оказывали влияние молекулярная диффузия, кулоновское притяжение и, возможно, даже тепловые силы. Соударения для столь малых частиц не могут быть существенным механизмом.

- Чемберлен сделал теоретические оценки скорости осаждения иода, предполагая, что этот процесс определяется диффузией и что адсорбция и абсорбция паров на грунте идет достаточно быстро, чтобы давление паров иода у поверхности равнялось нулю. По метеорологическим условиям над Ланкаширом и Йоркширом во время прохождения радиоактивного облака была вычислена скорость осаждения 0,8 см/сек. Это неплохо согласуется с упомянутой выше оценкой 0,3——0,4 см/секу если учесть многочисленность сделанных при расчете допущений.

С точки зрения использования опыта, накопленного во время аварии в Унндскейле, для предсказания возможных последствий других подобных аварий весьма интересно, что в ряде мест в осаждение радиоактивных веществ может внести свой вклад вымывание дождем. В течение 24 час с 09h00fn 10 октября по 09h00nl 11 октября в северо-западной Англии шел дождь, который Чемберлен описывает как «пятнистый». Можно было ожидать, что такой дождь вымоет из атмосферы пары иода, но не затронет очень малых радиоактивных частиц, если только они не смешались с дождевыми облаками на больших высотах или если дождевые облака не были необычно низкими. Установить корреляцию между выпадением дождя и концентрацией осажденных радиоактивных веществ не оказалось возможным. Это может указывать на то, что в этих условиях дождь не является особо эффективным очищающим фактором.

СУДЬБА РАДИОАКТИВНЫХ ВЫПАДЕНИЙ

После того как произошло осаждение выпадений, их судьба зависит от многих факторов. Очень важным факто-

ром является размер частиц. Если частицы довольно малы (диаметр менее нескольких микронов), они способны прочно сцепляться с поверхностью, на которой они осели, в то время как крупные частицы могут относительно легко с нее удаляться. Однако если малые частицы вновь попадают в воздух или в воду, они могут оставаться во взвеси и переноситься на большие расстояния, прежде чем они отложатся вновь. Степень фракционирования может меняться с размером частиц. В этом случае скорость угасания радиоактивности также будет меняться с размером частиц. Извлечение радиоизотопов из частиц дождевой водой будет происходить быстрее в случае мелких частиц вследствие боль- шей величины отношения поверхности к массе. По этой же причине малые радиоактивные частицы будут растворяться быстрее, чем крупные частицы того же состава.

Факторы, способные влиять на историю осажденных выпадений, бесчисленны. К важнейшим факторам относятся природа поверхности, на которую частицы оседают, степень, в которой осажденные частицы открыты дождям и ветру, химический состав частиц (например, разрушаются ли они химически содержащейся в дождевой воде угольной кислотой), физическая природа частиц (например, их растворимость и пористость), а также то, оседают ли они на пищевых продуктах, можно ли установить степень их вредности и избавиться от них.

ЛИТЕРАТУРА

2.3.4.2.3.4.Glasstone S., The Effects of Nuclear Weapons, revised ed., U. S. Atomic Energy Commission, April, 1962. (Русский перевод 1-го изд.: Действие ядер но го оружия, М., ИЛ, 1963.) Glasstone S., Source book on Atomic Energy, New York, Van Nostrand, 1950.

2.3.4.

2.3.4.

Fowler J. M. (ed.), Fallout, New York, Basic Books, 1960.

Hunter H. F., Ballou N. E., Nucleonics, 9, № 5, C2 (1951).

M о t e f f K., Nucleonics, 13, № 5, 28 (1955).

Nelms A., Cooper J. W., Health Ph vs., 1, 427 (1959).

В j б г n e r s t e d t R., Arkiv Fysik, 16, 293 (1959).

F г e i 1 i n g E. C., in Radioactive Fallout from Nuclear Weapons Tests, TID-7632, U. S. Atomic Energy Commission, 1962.“

Magee J. L., Mechanism of Fractionation, U. S. Atomic Energy Report M-7140, 1953.

Stewart K., Trans. Faraday Soc., 52, 161 (1956).

Bjornerstedt R., Edvarson K., Ann. Rev. Nuclear Sci., 13, 505(1963).

A d a m s С. E., Farlow N. H., Schell W. R., Geo- chim. et Cosmochini. Acta, 18, 42 (I960).

Cadle R. D., W i I d e r A. G., Schadt C. F-, Science, 118, 490 (1953).

C a d I eR. D.,Anal. Chem., 23,196 (1951).

Fr e i 1in gE. C., Science, 133,1991 (1961).

S i s e fsк уJ.,Brit. J. Appl. Phys., 10, 526 (1959).

S i s e fsк уJ.,Science, 133, 735(1961).

Penn S., Martell E. A., J. Geophvs. Res., 68, 4195 (1963).

Reiter E. R., J. Geophys. Res., 69, 786 (1964).

Mac h t a L., List R. J., Telegadas K., J. Geophys. Res., 69, 791 (1964).

Martell E. A., Science, 143, 126 (1964).

Goeckermann R. H., in Proceedings of the Second Plowshare Symposium, Univ, of Calif. Report UCRL-5675, 1959.

N о r d у к e M. D., J. Geophys. Res., 66, 3439 (1961).

Chamberlain A. C., Quart. J. Roy. Met. Soc., 85, 350 (1959).

Crabtree J., Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., 85 , 362 (1959).

Penney W., Report of Comrnittee on Investigation; Accident at Windscale, H. M. S. O. Cmnd. 302, 1957.

Hess W. N., Nordyke M. D., J. Geophys. Res., 66, 3405 (1961).

Kellogg W. W., in The Nature of Radioactive Fallout and Its Effects on Man, Hearings before the Special Subcommittee on Radiation, Congress of the United States, U. S. Government Printing Office, 1957.

Fallout Symposium, Armed Forces Special Weapons Project Report 895, January, 1955 (Secret, R. D.).

Training Manual for Computing and Coding Civil Defense Fallout Winds, U. S. Weather Bureau, Washington, D. C., April, 1955.

F e r b e r G. J., H e f f t e r J. L., in Radioactive Fallout from Nuclear Weapons Tests, Proceedings of a conference held in Germantown, Md., November, 1961, Office of Technical Services, Washington, D. C., 1962.

S m a I 1 S. H., Tel I us, 12, 308 (I960).

3. M a r t e I 1 E. A., Science, 129, 1197 (1959).

Blok J., Radioaktieve Besmetting van die Biodfeer in Nederland, Academisch Protfschrift, Vrije Univ, te Amsterdam, 1957.

H i n z p e t e г У\., in United Nations—Peaceful Uses of Atomic Energy, Proceedings of the Second International Conference, Vol. 18, Geneva, 1958, p. 285.

Dingle A. N., in Radioactive Fallout from Nuclear Weapons Tests, Proceedings of a conference held in Germantown,

Md., November, 1961, Office of Technical Services,Washing- ton, D. C., 1962.

Gr e e n f i e 1 d S. M., J. Meteorol., 14, 115 (1957).

Dingle A. N., G a t z D. F., Rain Scavenging of Particulate Matter from the Atmosphere, Contract № AT (11-1)- 739, The Univ, of Michigan, College of Engineering, September, 1963.

G a t z D. F., Dingle A. N., Air Cleansing by Convective Storms, Presented at the Second Conference held in Germantown, Md., on Radioactive Fallout from Nuclear Weapons Tests, November, 1964.

К a 1 к stei n M. I., Drevinsky P. J., Martell E. A., ChagnonC. W., Manson J. E., Junge С. E., Natural Aerosols and Nuclear Debris Studies, Progress Report II, GRD Research Notes, № 24, 1959.

J u n g e С. E., Air Chemistry and Radioactivity, New York, Academic Press, 1963. (Русский перевод: X. Юнге, Химический состав и радиоактивность атмосферы, М., изд- во «Мир», 1965.)

Rosinski J., Stockham J., Preliminary Studies of Scavenging Systems Related to Radioactive Fallout, Summary Report ARF 3127-12, Armour Research Foundation, Contract № AT (11-1)-626, 1960.

Dobson G. M. B., Proc. Roy. Soc., A236, 187 (1956).

Brewer A. W., Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., 75, 351 (1949).

Drevinsky P. J., Martell E. A., in Radioactive Fallout from Nuclear Weapons Tests, Proceedings of a conference held in Germantown, Md., November, 1961, Office of Technical Services, Washington, D. C., 1962.

Cadle R. D., T h u m a n W. C., Ind. Eng. Chem., 52, 315 (I960).

J u n g e С. E., C h a g n о п C. W., Manson J. E., J. Meteorol., 18, 81 (1961).

J u n g e С. E., J. Meteorol., 18, 501 (1961).

C h a g п о n C. W., Junge С. E., J. Meteorol., 18, 746 (1961).

Manson J. E., J u nge С. E., Chagnon C. W., in Proceedings of the International Symposium on Chemical Reactions in the Lower and Upper Atmosphere, April 18 — 20, 1961, New York, In ter science, 1961.

Martell E. A., Paper presented at CACR Symposiuni on Atmospheric Chemistry, Circulation, and Aerosols, Visby, Sweden, August 18—25, 1965.

Manson J. E., in Radioactive Fallout from Nuclear Weapons Tests, Proceedings of a conference held in Germantown, Md., November, 1961, Office of Technical Services, Washington, D. C., 1962.

Z e be 1 G., Kolloid Zs., 196, 102 (1958).

Libby W. F., Proc. U. S., Nat. Acad. Sci., 42, 365, 945 (1956).

Miyake Y., Saruhashi K., Katsuragi Y., К a- n a z a w a T., J. Geophys. Res., 67, 189 (1962).

56.56.57.57.58.59.58.59.Mac h t a L., List R. J., Telegadas K., in Radioactive Fallout from Nuclear Weapons Tests, Proceedings of a conference held in Germantown, Md., November, 1961, Office of Technical Services, Washington, D. С.» 1962.

56.

56.

57.

57.

58.

59.

58.

59.

Gustafson P. F., Brar S. S., Kerrigan M. A.t J. Geophys. Res., 67, 4641 (1962).

J u n g e С. E., J. Geophys. Res., 68, 3849 (1963).

Telegadas K., List R. J., J. Geophys. Res., 69, 4741

(1964).О г г С.» К еRosen М.,S с h a d t С.(1964).О г г С.» К еRosen М.,S с h a d t С.п g Е. Y. Н., J. Atmos. Sci., 21, 475 (1964). О г г С., J. Colloid. Sci., 19, 50 (1964).

(1964).

О г г С.» К е

Rosen М.,

S с h a d t С.

(1964).

О г г С.» К е

Rosen М.,

S с h a d t С.

F., Cadle R. D., J. Phys. Chem., 65, 1689

n М. I.» J. Geophys. Res., 68, 3835 (1963).

n М. I., Science, 137, 645 (1962).

一一 п М. I., Т h о rn a s i а п A., N i к u 1 a J. V., Cd100 Results up to 20 Kilometers, Presented at the Second Conference held in Germantown, Md., on Radioactive Fallout from Nuclear Weapons Tests, November, 1964. (Русский перевод в сб. «Радиоактивные выпадения от ядерных взрывов», М., изд-во «Мир», 1968.)

66. Wexler Н., Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., 85, 196 (1959).

63.

64.

65.

а а а

1 к s t е i

1 к s t е i

Г лава V

МЕЖПЛАНЕТНАЯ ПЫЛЬ

ЗОДИАКАЛЬНЫЙ СВЕТ

Явление зодиакального света наиболее отчетливо наблюдается в тропиках. Он обычно появляется примерно через час после захода Солнца и виден в течение нескольких часов. Он представляет собой слабое свечение западной части неба, обычно конусообразной формы, причем основание пирамиды находится на горизонте. По яркости он примерно равен Млечному Пути. Яркость больше всего у основания и убывает к зениту (рис. 31). По прошествии нескольких часов после появления зодиакального света вершина пирамиды погружается под горизонт. Термин «зодиакальный свет» обязан своим происхождением тому, что свечение простирается вдоль зодиака ——пояса созвездий, по которому происходит видимое перемещение Солнца, Луны и больших планет.

За несколько часов до восхода Солнца зодиакальный свет появляется вновь в восточной части неба. Сначала показывается слабая верхушка, а вся пирамида становится видна примерно за час до восхода Солнца. С течением времени явление могло бы стать еще более ярким и эффектным, если бы оно не терялось в рассеянном свете восходящего Солнца. Вечером зодиакальный свет лучше всего наблюдается весной, когда эклиптика составляет наибольший угол с горизонтом; в утренней видимости зодиакальный свет лучше всего наблюдается осенью.

Иногда свечение простирается примерно на 45е к северу от Солнца; по-видимому, оно также простирается и на 45° к югу. В очень ясные ночи в тропиках вершины вечерних и утренних пирамид перекрываются, образуя зодиакальную полосу. Тогда точно напротив Солнца можно видеть более яркую область, называемую противосиянием. Фотометрические измерения показывают, что в ясную безлунную

ноне зодиакальный свет может давать до 30% общего света неба.

В настоящее время существуют две школы, по-разному объясняющие происхождение зодиакального света. Одна школа считает, что зодиакальный свет возникает в земной

Р и с. 31. Фотография зодиакального света, полученная Д. Б лекуэлл ом.

атмосфере. Однако примерно 300 лет назад Кассини обнаружил, что положение зодиакального света не меняется при наблюдении из разных мест, и заключил отсюда, что он должен быть вызван рассеянием солнечного света внеземными частицами.

Другая школа, включающая большинство современных наблюдателей, полагает, что зодиакальный свет образуется вследствие рассеяния солнечного света внеземными частицами, что эти частицы являются частью солнечной атмосферы, простирающейся до Земли и далее, и что зодиакальный свет представляет собой часть солнечной короны.

В пользу последней гипотезы говорит множество наблюдений. Во время затмений с высотных (9 км) самолетов производилось фотографирование солнечной короны. Корона прослеживалась на 13°,5 от Солнца [1 ]. Зодиакальный свет не наблюдался ближе, чем в 18°от Солнца. Таким образом, судя по прямым наблюдениям, существует разрыв, хотя и небольшой. Однако, как указывает Блекуэлл [1 ], небо во время затмения значительно ярче, чем в лунную ночь, и зодиакальный свет скрадывается. Если яркость зодиакального света и солнечной короны нанести на график в функции углового расстояния от Солнца, разрыв, конечно, сохраняется, но изофоты по обе стороны от него выглядят, как части одной н той же кривой.

Вероятно, большое значение имеет и тот факт, что зодиакальный свет более симметричен относительно плоскости орбиты Юпитера, чем относительно эклиптики (видимого пути Солнца по небу). Орбита Юпитера наклонена к эклиптике на 1°,3- Юпитер—это самая массивная планета. Если зодиакальный свет образуется облаком внеземных частиц, плоскость симметрии такого облака, как можно ожидать, будет соответствовать орбите Юпитера. Таким образом, это наблюдение является веским подтверждением того, что зодиакальный свет имеет внеземное, а не атмосферное происхождение.

В качестве рассеивающего свет агента были предложены частицы по меньшей мере двух типов. Это пылевые частицы и солнечные электроны. Очень веский аргумент в пользу электронной теории состоит в том, что в спектре близких к Солнцу частей короны нет фраунгоферовых линий солнечного спектра. Отсутствие этих линий можно объяснить допплеровским уширением, вызванным быстрыми движениями электронов при очень высоких температурах. Температуры должны быть порядка миллиона градусов, что достаточно для того, чтобы вызвать необходимую ионизацию. Однако фраунгоферовы линии появляются уже на относительно небольших расстояниях от солнечного диска, и их обычно приписывают рассеянию на пылевых частицах.

Остается, однако, открытым вопрос, не создается лн зодиакальный свет и электронами, и твердыми частицами. Одним из самых веских аргументов в пользу существования

составляющей зодиакального света, вызванной рассеянием на свободных электронах, является степень поляризации света [2]. Если исключить свечение неба и измерять только поляризацию зодиакального света, то на расстоянии 60° от Солнца степень поляризации оказывается примерно 19%, т. е. вдвое больше того, что можно было ожидать для света, рассеянного пылевыми частицами. Это значит, что по крайней мере половина интенсивности зодиакального света на таком угловом расстоянии от Солнца обусловлена рассеянием на электронах. Концентрация электронов, необходимая для создания такой степени поляризации, хорошо согласуется с концентрациями, оцененными по поведению свистящих атмосфериков. Так называются радиосигналы, образующиеся при разрядах молний в полушарии, противоположном тому, в котором они принимаются.

Ингэм и Блекуэлл [1 ] считают, что, если бы зодиакальный свет был вызван только рассеянием на пыли, спектр его был бы идентичен спектру солнечного диска; если, однако, большая часть его обусловлена электронным рассеянием, фраунгоферовы линии в его спектре не появятся. Они сфотографировали спектр зодиакального света на станции по изучению космических лучей в Чакалтойа, в Боливийских Андах, на высоте 5,1 км. Так как фраунгоферовы линии были найдены, они пришли к выводу, что вклад электронного рассеяния может быть лишь небольшим.

Если объяснять возникновение зодиакального света рассеянием солнечного света пылью, возникают теоретические трудности. Когда тело обращается вокруг звезды, подобной Солнцу, получает от нее тепло и излучает его в пространство, расстояние тела от звезды медленно уменьшается до тех пор, пока оно не падает на звезду. Это явление называется эффектом Пойнтинга—Робертсона. Время, необходимое для того, чтобы такое тело упало на Солнце (в годах), дается выражением 7-106 roR2, где R — начальное расстояние в астрономических единицах, а г и о — радиус тела в см и плотность в г/см3 соответственно. Каменный шарик радиусом 1 см, первоначально обращающийся вокруг Солнца на расстоянии Земли, упадет на Солнце примерно через 20 млн. «лет. Таким образом, за время существования Земли малые частицы были бы выметены из области зодиакального света, если бы не существовало

механизма, восполняющего их убыль, или каких-либо сил, противодействующих эффекту Пойнтинга—Робертсона, или того и другого вместе. Некоторые исследователи [3——5] предположили, что кометы или астероиды разрушаются со скоростью, достаточной для поддержания концентрации частиц в зодиакальном облаке.

Эта проблема была исследована Харвитом [6]. Его анализ показал, что кометы не могут поставлять требуемого количества пыли в зодиакальное облако, так как давление света предотвращает попадание обломков комет и продуктов их вторичных соударений на орбиты, близкие к Солнцу. Он, однако, подчеркнул, что для того, чтобы этот вывод мог считаться окончательным, необходимо большое число наблюдений скоростей выброса из очень короткопериодических комет. Расчеты Харвита показали, что столкновения между астероидами могут создать достаточное количество частиц, но скорость поступления частиц в облако будет крайне непостоянной, так как большинство обломков образуется при очень редких столкновениях между крупными астероидами.

Сведения о размерах частиц зодиакального облака предельно скупы. Согласно ван де Хюлсту [7], разброс размеров частиц должен быть велик, так как дифракционные кольца не наблюдаются, но наблюдаемое распределение яркости можно объяснить при весьма различных предположениях о распределении размеров частиц и их альбедо. Эпик [8] полагает, что частицы не могут быть меньше нескольких десятых долей микрона, ибо в противном случае они были бы выметены из солнечной системы давлением излучения Солнца. Из динамических соображений он оценивает верхний предел радиуса частиц примерно в 300 мк. Основываясь главным образом на расчетах ван де X юл ста [9], он полагает, что распределение по размерам определяется уравнением

(5.1)(5.1)竽=СЕ,аг

(5.1)

(5.1)

где Сир — постоянные со значениями около 10^20 и 2,8 соответственно (г выражено в см). Эпик приходит также к выводу, что зодиакальная пыль является главным источником внеземной пыли в атмосфере, и что приток массы из

зтого источника более чем в 100 раз превышает полный приток массы от метеоритов. Если это так, то большинство частиц радиусом больше 1 儿％ собранных Юнге и его сотрудниками в стратосфере, должны происходить из зодиакального пылевого облака. Эпик полагает, что полный годичный приток таких частиц на Землю в целом составляет около 250 000 т. Это можно сопоставить с оценкой Петерсона 1,4- Ю7 т [10, 11 ] и оценкой Фьёкко и Коломбо 2-Ю7 m [12].

Бирд 113] на основании изучения рассеяния света частицами в солнечной короне на расстоянии нескольких диаметров Солнца от края диска пришел к выводу, что мельчайшие частицы имеют радиус несколько микронов и что показатель р в уравнении (5.1) равен 2,5 или немного больше.

Распределение зодиакальных частиц по размерам было теоретически исследовано Саутуортом [14]. Он рассмотрел проблему с точки зрения эффекта Пойнтинга—Робертсона, предполагая, что зодиакальное облако стационарно и что существует источник частиц, возмещающий потери, вызванные эффектом Пойнтинга—Робертсона. Распределение орбит попадающих в облако частиц определяет распределение плотности в облаке. Саутуорт рассчитал по данным грубой фото гр афической фотометрии распределение частиц по размерам в пяти из семи хвостов кометы Аренда—Ролана, предполагая, что альбедо частиц равно 0,03. Он использовал полученные результаты для оценки полного вклада от всех комет, предполагая, что выбросы происходят равномерно по всей полусфере кометного ядра, обращенной к Солнцу. Он получил полный вклад от комет 0,18 т/сек и сравнил это со сделанной Уипплом [3 ] оценкой величины, необходимой для поддержания зодиакального облака 1 т/сек. Саутуорт считает согласие удовлетворительным. Этот вывод расходится с упомянутым выше выводом Харвита [6].

Саутуорт пришел также к заключению, что распределение по размерам частиц зодиакального облака должно быть совершенно отличным от распределения для метеорных тел,—— более крупных частиц, находящихся в том же объеме пространства. Он утверждает, что в то время, как полная масса малых метеорных тел превышает полную массу крупных, масса, связанная с крупными зодиакальными частицами.

много больше, чем масса, связанная с мелкими. Он оценивает средний диаметр d32 в 30 мк. Он нашел, что распределение по размерам пылевых частиц, выброшенных в зодиакальное облако из комет, согласуется с данными, полученными для самого облака.

Даже в настоящее время относительно источника зодиакального света среди ученых нет единодушия. Так, Довийе [15] заявляет, что он считает зодиакальный свет результатом эмиссии электронов из Солнца, от которой частично зависит кометная активность.

МЕТЕОРНЫЕ ТЕЛА Н МЕТЕОРИТЫ

Метеорное тело можно определить как небольшое твердое тело в солнечной системе, которое, проникая в атмосферу Земли, становится метеором. Таким образом, частицы, ответственные за зодиакальный свет, можно рассматривать как метеорные тела, но обратное не обязательно справедливо. Термин «метеор» относится ко всем внеземным телам, проникающим в атмосферу. Очень малые метеоры (радиусом меньше 〜300 мк) часто называются микрометеоритами. Иногда последний термин применяют ко всем малым метеорным телам в космосе, но мы будем обозначать их термином «микрометеорное тело». Термин «метеорит» обозначает частицы, достигшие земной поверхности.

Пока не появились ракеты, способные достигать верхней атмосферы Земли и еще больших высот, исследования метеорных тел были ограничены наблюдениями с поверхности Земли, оптическими (фотографическими) и радиолокационными. Оба метода приносили сведения о визуальной звездной величине (по которой можно было оценить массу индивидуальных метеорных тел) и о величине потока метеорных тел. С появлением беспилотных и пилотируемых космических кораблей изучение метеорных тел приобрело практическое значение, ибо они могут сталкиваться с кос-

мическими кораблями. Были разработаны различные устройства, устанавливаемые на ракетах и регистрирующие величину потока и распределение масс метеорных тел.

Для этой цели широко применяются микро^юнные детекторы. По существу они представляют собой микрофон, состоящий из диафрагмы, пьезоэлектрического кристалла, электронного усилителя и записывающего устройства. Метеорное тело, ударяющее о диафрагму, создает импульс, величина которого связана с массой частицы, скоростью удара и положением точки удара на поверхности диафрагмы. Другой датчик ——это проволочный сеточный детектор, состоящий из ряда проволок с известным электрическим сопротивлением, соединенных параллельно. Во время полета регистрируется электропроводность такой сетки. Метеорное тело обнаруживается, если оно повреждает проволоку. Такой детектор может быть выполнен из тонкой проволоки с эмалевой изоляцией, намотанной на плоские катушки. При помощи этого метода нельзя получить данных о массах метеорных тел.

Третий датчик — это мембранный детектор. Существует несколько вариантов такого детектора. Один из детекторов состоит из алюминированной пленки майлар, системы сферических стеклянных линз и фотосопротивления из сульфида кадмия. Когда метеорное тело пробивает пленку, солнечный свет фокусируется на фотосопротивлении. Величина возникающего сигнала является функцией размеров отверстия и его расположения по отношению к Солнцу. Второй вариант ——это ячейка давления. Открытый конец камеры затянут мембраной. В момент запуска ракеты давление в камере равно 1 атм, так что по сравнению с вакуумом космического пространства давление в ней повышенное. Когца мембрана пробивается, регистрируется скорость падения давления или утечки газа, по которой можно определить размеры отверстия. Такие детекторы калибруются при помощи частиц из нержавеющей стали, движущихся с большими скоростями. Размеры отверстия, по-видимому, очень близки к размерам частицы, обычно с точностью до множителя 2 [16].

Четвертый датчик — детектор вспышки — работает по принципу регистрации небольшого взрыва, сопровождаемого световой вспышкой, который происходит при ударе

метеорного или микрометеорного тела о твердую поверхность. В одном из вариантов такой датчик состоит из алюминированного конуса из акриловой смолы, узкий конец которого присоединен к окошку фотоумножителя. Микроме- теорные тела, ударяющиеся об открытую алюминированную поверхность, пробивают ее, и вспышка света вызывает в фотоумножителе импульс.

Обзор результатов исследований при помощи этих методов, проведенных до января 1963 г., был сделан Шмидтом 117]. Сводка результатов, полученных до 1960 г., была опубликована Геттелманом и др. [16]. В первой работе приводится список, содержащий 31 оценку годичного притока массы внеземных частиц на поверхность Земли.

Массы метеорных тел можно оценить по фотографическим и радиолокационным измерениям, пользуясь понятием визуальной звездной величины Mv. определяемой уравнением

М^ = 24,6 — 2,51g/, (5.2) где / —— визуальный световой поток (эрг/сек}. Существуют методы определения визуальных звездных величин по фотографическим и радиолокационным данным [16]. Теоретические и эмпирические соображения показывают, что масса метеорного тела уменьшается в 100 раз на каждые 5 звездных величин. Полагая, что нулевой визуальной величине соответствует масса 30 а [18], по 此,можно вычислить массу метеорного тела*. Величины потока метеорных тел по трем независимым исследованиям, расположенные в порядке возрастания визуальной величины, приведены в табл. 3 [16]. Данные в третьем столбце таблицы получены экстраполяцией результатов наблюдений ярких метеоров.

Данные о потоке метеорных тел, подобные приведенным в табл. 3, можно представить в форме

N = KL , (5.3)

* Звездная величина метеора зависит не только от массы, но в еще большей степени от скорости метеора. Общепризнанной точки зрения на связь массы и яркости метеоров (даже при известной скорости) не существует: плохо известен коэффициент светимости мете- оров, в точности неизвестна роль дробления. Во всяком случае, приводимое автором значение слишком велико. При скорости 30 км/сек масса метеора пулевой звездной величины порядка 1 г и резко убьь вает со скоростью- — Прим, перев.

где N — число частиц на единицу площади в единицу времени, К н а — постоянные, m — масса частицы. Были сделаны многочисленные оценки величины а. Общепринято значение, равное или очень близкое к единице*. Следовательно, уравнение (5.3) можно представить в форме

N =.(5.4)

т

Данные табл. 3 показывают, что величина К заметно меняется (на один-два порядка) в зависимости от метода определения потока метеорных тел и визуальной величины и от соотношения, используемого для расчета массы метеорного тела по визуальной величине.

Таблица 3

Наблюдаемые потоки метеорных тел [16]

Масса, а

Поток, частиц-м^-сек

фотографические наблюдения [20]

радиолокационные наблюдения

[19]

[21]

30

1,6」()Т4

2,8-Ю-^

0,3

9 • 1()Т2

1 б】。*

2,8・1()тз

10

3-1СГ3

1,08*10-9

1,6・1(Г1。

2,8・ ММ

15

3・10-3

1,08・1()т

1,6-10~8

—

Данные о частицах, меньших тех, что исследуются радиолокационным и фотографическим методами, были получены при помощи описанных выше датчиков, устанавливаемых на ракетах, в основном при помощи детекторов микрофонного типа. Реакция детекторов этого типа, грубо говоря, является линейной функцией количества движения ударяющей микрометеор ной частицы. Пороговое значение количества движения, необходимого для возникновения реакции, определяется экспериментально до полета ракеты. По измерениям с микрофоном можно получить данные о числе

*ан1, но меняется в зависимости от рассматриваемого диапазона звездных величин, скоростей метеоров, возраста метеорного роя и т. д. — Прим, пер ев.

ударов частиц с количеством движения больше порогового. Чтобы по пороговому количеству движения получить пороговую массу, необходимо сделать предположения о скорости удара. Скорости метеорных тел, измеренные фотографическим и радиолокационным методами, меняются от 10 до 75 км/сек. Очевидно, что выбрать какую-то одну величину было бы большим упрощением. Тем не менее такое упрощение необходимо, и часто пользуются значением 30 км/сек. Гистограммы распределения метеорных скоростей обычно двухвершинные. Самый большой максимум расположен между 15 и 40 км/сек. так что выбор значения 30 км/сек, по-видимому, обоснован.

Так как разные микрофоны имеют разные пороги реакции, данные, полученные при их помощи, можно использовать для определения изменений величины потока с массой метеорного тела. Анализ, проведенный Геттелманом и др. [16], показывает, что величина а в уравнении (5.3) для всех исследованных запусков ракет и спутников равна 0,63, а для спутников «Эксплорер-1» и «Авангард-3» а = 1. Последние два спутника выделены ввиду тщательности предполетной калибровки и полноты регистрации. Эти результаты охватывают диапазон масс от 10~8 до 10"11 г.

Обзор данных о межпланетных телах и частицах, в том числе и об очень крупных метеоритах, сделал также Хокинс [22]. Он показал, что распределение по массе каменных и железных метеоритов различно [23]. Число каменных метеоритов массы т или более, выпадающих на 1 км2 поверхности Земли за 1 год, дается выражением

lgN = — 0,73 —lgm・ (5.5)

Поток железных метеоритов дается выражением

lg N = — 3,51 —0,7 Igm. (5.6)

Таким образом, интегральное число каменных метеоритов про пор ционал ьно zn-1, а железных mf" Сводка данных об интегральном числе тел в очень широком диапазоне масс приведена на рис. 32.

Хокинс полагает, что различие между уравнениями (5.5) и (5.6) отражает различное происхождение метеоритов. Уравнение (5.5) аналогично тому, которое соответствует порошкам, образующимся при дроблении и истирании в

течение долгого времени, в то время как (5.6) аналогично уравнению для порошков, образовавшихся при более умеренном дроблении. Если метеориты являются осколками

ю?6

10'10'70“加•"io5 /勿 10Масса, а70“加•"io5 /勿 10Масса, а32. Поток тел внеземного происхождения [22|・32. Поток тел внеземного происхождения [22|・wt、°弋 g> QOHqQDdzaEwt、°弋 g> QOHqQDdzaEастероидов, возникших при столкновениях в космическом пространстве, то более хрупкие каменные метеориты будут испытывать более сильное дробление.

10'

10'

70“加•"io5 /勿 10

Масса, а

70“加•"io5 /勿 10

Масса, а

32. Поток тел внеземного происхождения [22|・

32. Поток тел внеземного происхождения [22|・

wt、°弋 g> QOHqQDdzaE

wt、°弋 g> QOHqQDdzaE

Размеры частиц можно получить только по их массам, если плотности известны. Средняя плотность железных метеоритов равна 7,8 г/см3, а каменных 3,4 г/Ъи3. Однако большая часть внеземного вещества, состоящая из тел с массой менее 100 г, по-видимому, относится к частицам, выброшенным из комет. По крайней мере 50% этих метеор-

ных тел — спорадические. Они не связаны с метеорными роями, и поток их может быть представлен уравнением

IgN = + 0,41 — 1,34 lgm. (5.7)

Кометные метеорные тела, вероятно, очень хрупкие и имеют очень низкую плотность. Уиппл [25] оценивает плотность таких тел с массами от 1 до 100 г в 0,4 г!см2. По этой причине многие наблюдатели думают, что кометные метеорные тела представляют собой рыхлые агрегаты малых частиц.

Микрометеорные тела, мельчайшие из изученных внеземных частиц, были собраны Хеменуэем и Соберманом [26]. Их ракета, запущенная в июне 1961 г., достигла высоты 168 км. Частицы собирались на поверхности различного типа. Были приняты особые меры предосторожности, чтобы избежать загрязнения и выделить только частицы внеземного происхождения. Были собраны частицы трех типов. Некоторые из этих частиц были рыхлыми агрегатами и, по-ввдимому, являлись кометными метеорными телами упомянутого выше типа. Другие были более плотными н не обнаруживали признаков плавления. Третий тип составляли маленькие шарики. Таким образом, существует широкий диапазон плотностей частиц. Вводя поправку за вертикальное движение ракеты и предполагая, что средняя плотность равна 3 г/см39 можно получить следующее выражение для интегрального потока:

IgN = 12,43—0,391gm. (5.8)

Это уравнение справедливо для частиц диаметром до 2,5 %к, что соответствует массе 10~13 г. Это значит, что кометные метеорные тела существуют вплоть до масс порядка 10-13 г.

Был проведен анализ частиц методом нейтронной активации и при помощи рентгеновского микроанализа. Было установлено присутствие Al, Si, Fe, Ni, Ti, Ca, Mg и Си, но относительное содержание их определить не удалось. У большинства метеорных тел при помощи электронографии не удалось обнаружить кристаллической струк-

туры. Вероятно, они имеют микрокристаллическую природу. Когда такие частицы испарялись при помощи электронного пучка и вновь конденсировались, они образовывали дифракционную картину, которая соответствовала трем возможным кристаллическим структурам: аустенита, меди и тэнита. Последний является составной частью крупных метеоритов.

Геттелман и др. [16] считают, что с точки зрения оценки опасности для космических кораблей со стороны метеорных тел полезно разделить поток метеорных тел на три класса. Первый класс ——это непрерывный фон частиц, не испытывающий вариаций во времени, за исключением, конечно, очень коротких промежутков, соответствующих малым флуктуациям фона частиц. Частицы этого класса создают для космических кораблей постоянную опасность. Ко второму классу относятся метеорные рои или потоки, которые в идеализированной форме можно считать отдельными облаками. Третий класс представляет собой разновидность непрерывного фона частиц, характеристики которого зависят от высоты. Это пояс метеорных тел, окружающий Землю на высоте около 4000 км. Существование такого пояса предположил также Уиппл [27J.

Вопрос о практическом применении данных, подобных описанным выше, был рассмотрен Хокинсом [22] и Уипплом [251. Комбинируя эти данные с известными нам уравнениями, количественно описывающими кратерообразова- ние и пробивную способность, можно оценить опасность, которую метеорные тела могут создавать при космических полетах. Хокинс [22] исходил из работы Германа и Джонса [28], которые показали, что глубина кратера, образованного в полубесконечной поверхности частицей массы т, дается полуэмпирическим уравнением

X = 1,70 т/з р1/з』% lg (1 + о,25р% p»，2"T), (5.9) где р ——плотность частицы,印 ——плотность мишени,。一 скорость соударения, Н —■ твердость по Врюнелю (все в системе СГС). Согласно Уипплу [25], пластинка не пробивается, если толщина ее превышает 1,5х. Неопределенность в оценке опасности для космических кораблей со стороны метеопных тел иллюстрируется утверждением Уиппла, что 7—1275

с 1957 по 1963 г. расчетная частота пробивания алюминиевой пластинки толщиной 0,1 см в окрестности Земли снизилась в 3000 раз. Это изменение частично является результатом накопления дополнительных данных о метеорных телах, а частично — результатом уточнения формул, описывающих удар. По Уипплу, наилучшая оценка пото- ка метеорных частиц, движущихся в космическом пространстве в случайном направлении и способных пробить тонкое алюминиевое покрытие толщиной Р, дается уравнением

lgN= _4,02 IgP—13,33. (5.10)

Вепичина N измеряется в —.的口，а Р — в с” Очевидно, что это уравнение не следует рассматривать как окончательное. Чтобы подчеркнуть это, Уиппл предлагает «пессимистическое» уравнение

IgN = —4,02 IgP—12,12 (5.11) н «оптимистическое»

lgN = — 31gP—12,94. (5.12)

Искусственный спутник «Эксплорер-16» был предназначен для определения степени метеорной опасности при современных и будущих космических полетах, особенно для рейсов близ Земли. Один из экспериментов, проводившихся на борту этого спутника, состоял в экспонировании поверхностей из нержавеющей стали с целью определения степени пробивания таких поверхностей микрометеорными телами [29]. Для экспонирования была выбрана нержавеющая сталь марки AISA 304 ввиду особого интереса, который представляет аустенитовая нержавеющая сталь для конструкций космических кораблей. Были выбраны пластинки толщиной 0,0025, 0,0075 и 0,0150 см и площадью соответственно 1350, 1800 и 225 см2.

Такие площади были выбраны на основе следующих соображений. Самая тонкая пластинка имела площадь, обеспечивающую высокую вероятность регистрации по крайней мере одного пробоя примерно за две недели. Площадь 1800 см2 была выбрана с тем, чтобы в течение эксперимента, длящегося 6 месяцев, с большой вероятностью произошел хотя

бы один пробой. Пробой самой толстой поверхности считался маловероятным, если только спутник не встретится с большим потоком метеорных тел.

Для обнаружения пробоя в пластинке из нержавеющей сТали применялась очень тонкая золотая сетка, составляющая единую электрическую цепь. Сетка на подложке из диэлектрического материала прикреплялась к обратной стороне пластинки. Микрометеорное тело, пробивая металлическую поверхность над сеткой, разрушало сетку и разрывало электрическую цепь. Этот факт телеметрически передавался на наземные станции. Все три поверхности были разделены на меньшие секторы, каждый из которых был соединен со своим датчиком.

«Эксплорер-16» был запущен с полигона о-ва Уоллопс в Виргинии 16 декабря 1962 г. Высота перигея его равнялась примерно 750 км, а апогея 1180 км. К 2 9 мая 1963 г. было зарегистрировано 6 пробоев самой тонкой пластинки, 1 пробой средней и ни одного пробоя самой толстой пластинки. Эти результаты находятся в согласии со значениями потока для различных масс, предложенными Ватсоном [30], и с критериями пробоя по Саммерсу [311.

В другом эксперименте на этом спутнике применялись 160 полуцилиндрических камер, расположенных в ряд вокруг последней ступени [32——34]. Камеры были заполнены гелием, н изменение давлен ия в результате пробоя микро- метеорным телом размыкало контакт. Число разомкнутых контактов телеметрически передавалось на наземные станции. Стенки камер были сделаны из медно-бериллиевого сплава толщиной 0,025, 0,050 н 0,125 мм. Пригодные для дальнейшей обработки данные были получены только по камерам со стенками толщиной 0,025 н 0,050 мм. Они были использованы для оценки потока R частиц, способных вызвать пробой. Связь между R н частотой пробоев dn/dt такова:

£=к（4—М， （5.13）

где Ло — начальная экспонируемая площадь всех камер, а Л ——площадь одной камеры. После интегрирования имеем

п = ^L h е-А^（5.14）

По этим уравнениям было получено, что пробоям стенок толщиной 0,025 мм соответствует поток 1,18-108 км~2 M Xz（必т, а толщиной 0,050 мм — поток 6,68-107 км^-аодт.

Система проверки^ —--^ солнечных батарей 二—Солнечные батареи

~~Детектор ударод~~Детектор удародДля того чтобы получить обоснованную оценку потока по камерам со стенками толщиной 0,125 川川，было зарегистрировано слишком мало пробоев.

~~Детектор ударод

~~Детектор ударод

Устройство «Эксплорера-16» схематически показано на рис. 33.

Хокинс [22] следующим образом сравнил эти результаты с тем, что дает уравнение Германа—Джонса (5.9) [28]. Хастингс [32] утверждает, что лист из медно-бериллиевого сплава толщиной 0,025 лш эквивалентен алюминиевому листу двойной толщины. Отсюда по уравнению (5.9) получаем, что медно- бер и л л иевый лист толщиной 0,025 мм может быть пробит частицей с массой 团>10一8 ?. Приравнивая приведенные выше значения потока к значениям, полученным по рис. 32, можно оценить массы метеорных тел, вызывающих пробой. Для металла толщиной 0,025 и 0,050 мм они составляют не менее 1,91 • 10-6 н 2,93-10~6 г соответствен- но. Следовательно, уравнение Германа—Джонса [28] сильно преувеличивает пробивную способность таких микромете- орных тел. Если частицы, как обычно считается, имеют низкую плотность н довольно рыхлые, то такой результат неудивителен. Такие частицы будут разбрызгиваться по поверхности металла. Аналогичное расхождение получается при сравнении результатов «Эксплорера-16» с уравнением (5.10), которое основано на (5.9).

Эксперимент с камерами давления дал также сведения о влиянии метеорных потоков. Эксперимент начался в конце периода действия потока Геминид и продолжался во время потока Квадрантид 3 января. В эти периоды частота пробоев заметно не увеличилась, что указывает на то, что влияние крупных метеорных потоков очень невелико. Это согласуется с данными радиолокационных наблюдений, которые показывают, что появление метеорных потоков влияет на численность малых метеоров значительно слабее, чем на численность крупных.

Частота пробоев, рассчитанная по результатам эксперимента с бериллиевыми камерами, согласуется с частотой, полученной по данным эксперимента с пластинками из нержавеющей стали (29, 34].

Перископы космических кораблей системы «Меркурий» позволили непосредственно исследовать места ударов частиц космической пыли. Были обнаружены многочисленные кратеры, которые могут быть местами ударов микрометеорных тел [35].

Информация о малых частицах в межпланетном пространстве была получена с космических зондов «Маринер>2» и Маринер-4». Измерения на «Маринере-4» показали увели-

чение потока с ростом гелиоцентрического расстояния и с приближением к Марсу. Близ Земли и Марса поток меняется с массой как гтг°，55, а между этими планетами — как т-0,9. «Маринер-4» не обнаружил роев пылевых частиц и ощутимого увеличения числа частиц в окрестностях Марса.

Детекторы «Маринера-4» регистрировали частицы с импульсом больше 1,96-10-3 дин，сек. На гелиоцентрических расстояниях от 1 до 1,25 а.е. интегральный поток был равен 7,3-10~5 частиц/л^-сек^ стерад. Поток достиг максимума 3,3-10 4 частиц/л^-сек^ стерад между 1,36 и 1,43 а.е. и уменьшился до 1,8-10~4 частиц/м2 -сек^ стерад в окрестностях Марса. Максимальный поток был отмечен на гелиоцентрическом расстоянии, приблизительно равном перигелийному расстоянию Марса (1,38 а. е.).

«Маринер-2» между 0,72 и 1,25 а. е. отметил только два удара. Результаты «Маринера-4» показывают, что в эксперименте с «Маринером-2» можно было ожидать 3± 2 соударения. Таким образом, эти данные согласуются между собой.

Наши знания о метеорных телах частично основываются на изучении вещества, собранного на земной поверхности или на некоторой глубине под нею. Сбор частиц производился из почвы, из океанических отложений, снега и глетчерного льда. Методика обычно состояла в отборе проб, например проб отложений с известным возрастом и местоположением, в выделении находящихся в пробе магнитных шариков и в изучении природы и концентрации этих шариков. Обычно принято считать, что эти шарики имеют внеземное происхождение. Результаты одного такого исследования были описаны Кассиди [36]. Шарики были получены из океанических отложений «значительно ниже современного дна океана», так что можно было считать, что современное промышленное загрязнение их не коснулось. Микрофотографии нескольких шариков показаны на рис. 34. Шарики были проанализированы без нарушения их структуры методом нейтронной активации, и результаты были сопоставлены с результатами такого же анализа частиц трех других типов: а) частиц, собранных в планктонных сетях; б) частиц сажи и дыма, по-видимому «летающего пепла»; в) шариков, образующихся при сварке металлов. Главной целью этого исследования было установить критерии различия между естественными и искусственными шариками. Второй целью было

выяснить, можно ли получить данные о составе естественных шариков методом нейтронной активации, не разрушая самих шариков. Результаты исследования показали, что естественные шарики можно отличить от искусственных шариков некоторых типов, за исключением жечезных.

Р и с. 34. Природные магнитные uiapuKii из буровой колонки, взятой со дна океана. Диаметр самого большого шарика 150 мк.

Даже если естественное происхождение собранных шариков установлено, следует рассмотреть возможность того, что они могут быть вулканического, а не внеземного происхождения. Эта возможность обсуждалась в ряде работ Райта и Ходжа [37——40]. Они нашли, что при извержениях вулканов различного типа образуются магнитные шарики размером 10—100 мк. Однако состав таких частиц (как от древних, так и от недавних извержений) обычно заметно отли-

чается от состава частиц предположительно внеземного происхождения, найденных в отложениях полярных льдов. Кроме того, они нашли, что отношение числа шариков к числу неправильных частиц для вулканической пыли заметно отличается от такого же отношения для частиц из ледовых отложений.

Сведения о природе и механизме образования шариков внеземного происхождения были получены при исследованиях рассеянного метеоритного вещества из районов падений крупных метеоритов. Примером является Сихотэ-Алинский железный метеорит, исследованный Криновым [41 ]. Это был метеоритный дождь, выпавший 12 февраля 1947 г. в горах Сихотэ-Алиня в Приморском крае СССР. Метеоритный дождь образовался в результате разрушения первоначально единого метеоритного тела при прохождении его через атмосферу. Большинство мелких частиц были угловатыми и неправильной формы. Небольшую часть составляли сферические или почти сферические частицы. Очень немногие магнитные частицы были полностью покрыты корой плавления. Однако большая часть шариков имела гладкую поверхность. Их диаметры охватывали интервал от 4 мк до 0,7 мм. Некоторые шарики были пустотелыми или пористыми, многие были покрыты бороздками. Отдельные частицы по форме напоминали капельки, т. е. имели грубо овальную форму и острый хвостик; другие были похожи на колбочки—— пустотелые, сфероидальной формы с вытянутыми бороздчатыми шейками.

Другое падение метеорита, Тунгусского, было описано Кировой [42]. Тунгусский метеорит упал в Сибири 30 июня 1908 г. и взорвался, проходя через земную атмосферу. В 1958 г. по всей площади, на которой лес был повален взрывом, были собраны пробы почвы. Пробы были разделены на магнитную и немагнитную фракции; в каждой фракции были обнаружены частицы, по-видимому, метеоритного происхождения. Магнитное вещество содержало магнетит, гематит, лейкоксен и изредка магнетитовые шарики. Из немагнитных фракций были выделены силикатные шарики и частицы другой формы, по-видимому состоящие из переплавленных силикатов. Наблюдались переходные формы между магнитными и немагнитными шариками, в том числе темные силикатные шарики с магнетитовыми включениями. Кирова

пришла к выводу, что кремнийсодержащие и магнитные шарики образовались из неоднородного метеорного тела. Как 0На утверждает, можно считать установленным, что Тунгусский метеорит был ядром небольшой кометы [43]. Она делает вывод, что ядро ее содержало как магнитное, так и немагнитное вещество. Однако Кирова не исключает возможности, что часть или даже все немагнитные частицы образовались из почвы в основном тем же путем, каким силикатные частицы образуются при наземных и подземных ядерных взрывах.

Фехтиг и Ютех [44] утверждают, что существуют указания на то, что шарики внеземного происхождения осаждались на Землю в течение всей ее геологической истории. Однако шарики из третичных и более древних отложений содержат мало или совсем не содержат никеля, а присутствие никеля считается критерием внеземного происхождения частиц. Фехтиг и Ютех делают вывод, что древние шарики некогда содержали железо-никелевое ядро и что оно постепенно растворилось. Они изучили тонкие шлифы шариков из глубоководных отложений четвертичного периода и обнаружили коричневую зону, окружающую железо-ни- келевое ядро, которая, как они полагают, является первой стадией растворения ядра. Они указывают также, что современные космические шарики не обязательно содержат железо-никелевое ядро.

Общепринято, что сфероидальные частицы возникают при плавлении метеоритов, вторгающихся в атмосферу, и сдувании с их поверхности капелек, которые затвердевают в виде сфероидальных частиц.

Несколько частиц внеземного происхождения было собрано при помощи возвращаемых зондирующих ракет, в частности, при помощи устройства, называемого ловушкой «Венус-Флай» (рис. 35). Почти все частицы были субмикронного размера. Большинство их было неправильной формы, и лишь малую часть составляли рыхлые или сферические частицы [26].

Обзор теорий происхождения метеорных тел сделал Довийе [15]. Он пришел к заключению, что все метеориты недавнего происхождения и что ископаемых метеоритов нет, хотя это мнение, конечно, оспаривается. Оно не может быть справедливым, если частицы, имеющие указанное выше происхождение, осаждались на поверхности Земли в тече-

ние большей части ее истории. Обычно считается, что метеориты являются осколками планеты или планет, которые раскололись н образовали астероиды. Крупные фрагменты стали астероидами, а орбиты более мелких осколков подверглись возмущениям, и эти тела стали выпадать на поверхность Земли. Происхождение микрометеорных тел может быть совсем иным. Вероятно, они являются остатками

комет н первоначально существовали в виде пылевых кометных хвостов. Вероятно, наиболее убедительным доказательством этого является тот факт, что кометы распадаются, и вслед за этим, когда Земля пересекает орбиту кометы, появляется метеорный поток. Например, в 1872 г. ожидалось, что «утерянная» двойная комета Биелы пройдет близ Земли, Вместо этого появился метеорный поток. Довийе

[151 полагает, что кометы являются астероидами, орбиты которых подверглись возмущениям со стороны Юпитера. Если это так, то происхождение микрометеорных тел и метеоритов может и не быть различным.

ТЕКТИТЫ

Тектиты — это стекловидные объекты, возможно, вне* земного происхождения. Некоторые из них относятся к диапазону размеров, рассматриваемых в этой книге, другие крупнее и могут достигать в поперечнике 10 см. Они имеют скорее округлые, нежели угловатые формы, и их вид наводит на мысль, что они были расплавлены в то время, когда находились в космическом пространстве или в атмосфере. Они найдены на земной поверхности только в нескольких местах, например в Австралии и в областях, прилегающих к Южно- Кртайс кому морю [45].

Тектиты имеют силикатный состав и в пересчете на SiO2 содержат от 68 до 80% соединений кремния. Они содержат также алюминий и небольшие количества железа, кальция, натрия и других металлов. Состав их сходен с составом многих континентальных пород, но не идентичен ему. Возможно, наиболее поразительным отличием тектитов от обычных пород является большая разница в содержании воды, которое в тектитах чрезвычайно мало. За исключением воды, адсорбированной на поверхности, они обычно содержат менее 0,05%, а в среднем около 0,005% воды. Фридман [461 считает, что малое содержание воды делает весьма вероятным, что тектиты были расплавлены в среде, в которой парциальное давление водяного пара было очень низким, либо что тектиты нагревались до температуры выше 2000° С. '

Концентрации малых составляющих в тектитах были изучены очень подробно. Концентрации ванадия, титана, хрома, циркония, марганца и стронция в тектитах и континентальных породах сходны, тогда как концентрации никеля, меди, олова и свинца в тектитах ниже, чем в земных породах. Обзор данных по этому вопросу был сделан Мейсоном [47].

Большинство тектитов — темные и почти непрозрачные, хотя в тонких слоях они прозрачны или полупрозрачны. Тектиты, относящиеся к типу молдавитов, в проходящем

свете зеленые, некоторые тектиты имеют желтый цвет. Плотности их удивительно одинаковы, от 2,3 до 2,5 г/см \ Электропроводность и вязкость тектитных стекол исследовали Хойте, Сенфтл и Виртц [48]. Вязкости отдельных тектитов различаются примерно на два порядка.

Было сделано несколько попыток определить время, ко- торое тектиты провели в космическом пространстве. Это нужно знать, чтобы установить, имеют ли они внеземное происхождение, и оценить расстояние, с которого они пришли. Рейнольдс [49] на основании изучения редких газов в двух образцах пришел к выводу, что верхний предел их радиационного возраста равен 28 000 и 40 000 лет. Висте и Андерс [50] для более чем 70 тектитов дали верхний предел возраста по облучению космическими лучами 90 000 лет. Флейшер и др. [51 ] использовали тот факт, что вдоль пути осколков деления ядер в тектитах образуются зоны повреждения, которые можно сделать видимыми путем химического воздействия. Они пришли к выводу, что тектиты, подвергшиеся воздействию первичных космических лучей, должны содержать треки осколков деления, большая часть которых сохранится после нагревания тектитов при прохождении ими земной атмосферы (если предполагать их внеземное происхождение). Таких треков не было найдено, хотя были исследованы тектиты из нескольких групп. Это указывает на то, что их радиационный возраст менее 300 лет.

Аналогичные методы применялись для определения возрастов тектитов [52, 53]. Исследовались треки, образованные при спонтанном делении урана-238. Время, прошедшее с момента последнего расплавления тектитов, равно примерно 34 млн. лет для североамериканских тектитов, 14 млн. лет для чехословацких тектитов и 700 000 лет для восточноазиатских. Отношения изотопов рубидия и стронция показывают, что с тех пор, когда вещество тектитов отделилось от их источника, прошло несколько сот миллионов лет.

Отношения некоторых изотопов в тектитах удивительно постоянны [45]. Например, в тектитах из разных мест почти нет колебаний отношения кислорода-18 к кислороду-16 и стронция-87 к стронцию-86.

Происхождение тектитов остается загадкой. Как видно из приведенных выше фактов, их внеземное происхождение

никоим образом нельзя считать доказанным. Относительно их происхождения было высказано много предположений. Когда молния ударяет в грунт, она может расплавить его, qacro образуя дендритные формы. Предполагалось, что таково может быть и происхождение тектитов. В качестве источника их были предложены и вулканы, однако это предположение можно отвергнуть уже хотя бы по той причине, ЧТо не известно ни одного случая вулканического образования тектитов.

Некоторые филиппинские тектиты содержат маленькие металлические шарики, состоящие из железа и нескольких процентов никеля. Такой сплав существует в железных метеоритах, но не найден ни в каких природных веществах на Земле. Это является веским указанием на метеоритное происхождение тектитов, и такая гипотеза часто рассматривалась. Одна теория состоит в том, что очень крупные метеориты ударяются о Землю и расплавляют грунт. Расплавленное вещество выбрасывается и при пролете через атмосферу затвердевает, образуя тектиты [54——56]. Этим объясняется группировка тектитов в поля рассеяния. Однако вещество, о котором достоверно известно, что оно выброшено при ударах метеоритов, во многих отношениях заметно отличается от тектитов. Юри 157] полагает, что тектиты образуются при встрече кометы с земной атмосферой. При этом возникает ударная волна, которая, достигая земной поверхности, плавит и разбрасывает большие количества горных пород. Основной трудностью является то, что этот механизм привел бы к возникновению тектитов, заметно различающихся по составу в зависимости от состава пород, из которых они образуются [47 ].

Был предложен ряд гипотез внеземного происхождения тектитов. Внеземное происхождение привлекательно по многим причинам, но в особенности потому, что тектитное стекло, по-видимому, переплавлялось дважды: один раз полностью, а второй раз частично, когда тектиты проходили через атмосферу Земли. Судя по их составу, маловероятно, что они являются метеоритами или продуктами их абляции. Другие предположения состоят в том, что они возникли при разрушении планетоподобного тела со стекловидным поверхностным слоем или же что источником тектитов являются кометы или Луна. Чепмен и Ларсон 158]

пытались получить возможные траектории входа тектитов в атмосферу по величине их абляции, искажениям бороздчатой структуры поверхности и расстоянию между кольцевыми волнами на австралитах. Они пришли к выводу, что Луна является единственным известным небесным телом, которое могло быть источником объектов, имевших такие траектории.

Теория метеоритных ударов, вероятно, является сейчас одной из наиболее общепринятых. Аргументы в ее пользу были суммированы и дополнены Хокинсом [59].

ЛИТЕРАТУРА

Blackwell D. Е., Scientific Amer., 203, № 1, 54 (July» I960).

V a n de H u 1 s t H. C., in Vistas in Astronomy, ed. A. Beer, London, Pergamon Press, 1956.

Whipple F. L., Astrophys. J., 121, 750 (1955).

Piotrowski S., Acta Astron., A5, 115 (1953).

Фесенков В. Г., Астрон. ж., 24, 39 (1947).

Н а гw i tМ.,J.Geophys. Res., 68, 2171 (1963).

V a nd eHu 1s t H. C., Light Scattering bySmallPartic-

les, New York, Wiley, 1957.

О p ikE.J.,Irish Astron. J., 4, 84 (1957).

V a nd eHu 1s t H. C., Astrophys. J., 105,471(1947).

Pettersson Н.» Nature, 181( 330 (1958).

Pettersson H., Scientific Amer., 123 (February, I960).

F i о с с о G., Colombo G., J. Geophys. Res., 69, 1795 (1964).

Beard D. B., Astrophys. J., 129, 496 (1959).

Southworth R. B., in Cosmic Dust, ed. H. E. Whipple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.

D a u v i 1 1 i e г A., Cosmic Dust, New York, Philosophical Library, 1964.

Goettelman R. C., S о f t k у S. D., Arnold J. S., F а г г a n d W. B., The Meteoroid and Cosmic-Ray Environment of Space Vehicles and Techniques for Measuring Parameters Affecting Them, Wright Air Development Division Technical Report TR 60-846, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, December, 1960.

Schmidt R. A., A Survey of Data on Microscopic Extraterrestrial Particles, Research Report Series 63-2, Geophysical and Polar Research Center, The Univ, of Wisconsin, January, 1963.

Н a w к i n s G. S., Astrophys. J., 128, 727 (1958).

Manning L. A., Eshleman V. R., Proc. I. R. E., 47, № 2 (February, 1959).

W h i p p 1 e F. L., in Vistas in Astronomy, ed. A. Beer, London, Pergamon Press, 1956.

D a v i s J. G-, Nature, 179, 123 (January 19, 1957).

H a w к i n s G. S., in Annual Review of Astronomy and Astrophysics, ed. L. Goldberg, Vol. 2, Palo AHo, Calif., Annual Reviews, Inc., 1964.

HawkinsG.S.,Nature, 197, 781 (1963).

H a w к i n sG.S.,Upton E. K. L.,Astrophys. J.,128,

727 (1958).

W h i p p 1 eF.L.,J. Geophys. Res., 68,4 929 (1963).

H e m e n w а уC. L., Soberman R.K., Astron.J.,67,

256 (1962).

W h i p p 1 e F. L., Nature, 189, 127 (1961).

Herrmann H., J ones A. H., Proc. Symp. Hypervelocity Impact Triservice Committee, 5th, 1, 389 (1962).

Davison E. H., Winslow P. C., Micrometeoroid Satellite (Explorer XVI) Stainless-Steel Penetration Rate Experiment, NASA TN D-2445, 1964.

Watson F. G., Between the Planets, Cambridge, Harvard Univ. Press., 1956. (Русский перевод 1-го изд.: Ф. В а т- с о н, Между планетами, М., 1947.)

Summers J. L., Investigation of High-Speed Impact: Re- gions of Impact and Impact at Oblique Angles, NASA TN D-94, 1959.

Hastings E. C., The Explorer XVI Micrometeoroid Satellite —Description and Preliminary Results for the Period December 16, 1962 through January 13, 1963, NASA TM

33.

H

X-810, 1963.

a s t i n g s E. C., The Explorer XVI Micrometeoroid Satellite—Supplement I, Preliminary Results for the Period January 14, 1963 through March 2, 1963, NASA TM X-824,

34.

H

1963.

a s t i n g s E. C., The Explorer XVI Micrometeoroid Satellite—Supplement II — Preliminary Results for the Period March 3, 1963 through May 26, 1963, NASA TM X-899,

35.

H

1963.

e m e n w a у Dubin M.,

C. L., Linscott I., S e с r e t a n L., Cosmic Dust, ed. H. E. Whipple, New York,

36.

37.

New York Academy of Sciences, 1964.

Cassidy W. A., in Cosmic Dust, ed. H. E. Whipple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.

Geophys.

Wright F. E.,

38.

5575

Hodge

2449

39. Hodge

2919

(1963). P. W., (1964). P. W., (1964).

Hodge P. W.,

Wright F. E.,

Wright F. E.,

J.

J.

J.

Res., 68,

Geophys.

Geophys.

Res., 69,

Res., 69,

40. Wright F. E., 3889 (1965).

Hodge P. W.,

J.

Geophys.

Res., 70,

41.42.43.44.45.46.47.48.49.50.51.41.42.43.44.45.46.47.48.49.50.51.ККККФФринов E. 〃.， in Cosmic Dust, ed. H. E. Whipple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.н p о в a O. A., in Cosmic Dust, ed. H. E. Whipple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.e с e н к о в В. Г., Метеоритика, 20, 27 (1961).F е с h t i g H., U t e c h K・，in Cosmic Dust, ed. H. E. Whip-ple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.ринов E. 〃.， in Cosmic Dust, ed. H. E. Whipple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.н p о в a O. A., in Cosmic Dust, ed. H. E. Whipple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.e с e н к о в В. Г., Метеоритика, 20, 27 (1961).F е с h t i g H., U t e c h K・，in Cosmic Dust, ed. H. E. Whip-ple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.ННооWalker R. М.,Walker R. М.,Л1 а и г е t t е М., J. Geophys. Res.,Л1 а и г е t t е М., J. Geophys. Res.,52.53.54.55.56.57.58.59.52.53.54.55.56.57.58.59.

41.

42.

43.

44.

45.

46.

47.

48.

49.

50.

51.

41.

42.

43.

44.

45.

46.

47.

48.

49.

50.

51.

К

К

К

К

Ф

Ф

ринов E. 〃.， in Cosmic Dust, ed. H. E. Whipple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.

н p о в a O. A., in Cosmic Dust, ed. H. E. Whipple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.

e с e н к о в В. Г., Метеоритика, 20, 27 (1961).

F е с h t i g H., U t e c h K・，in Cosmic Dust, ed. H. E. Whip-ple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.

ринов E. 〃.， in Cosmic Dust, ed. H. E. Whipple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.

н p о в a O. A., in Cosmic Dust, ed. H. E. Whipple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.

e с e н к о в В. Г., Метеоритика, 20, 27 (1961).

F е с h t i g H., U t e c h K・，in Cosmic Dust, ed. H. E. Whip-ple, New York, New York Academy of Sciences, 1964.

Н

Н

о

о

Walker R. М.,

Walker R. М.,

Л1 а и г е t t е М., J. Geophys. Res.,

Л1 а и г е t t е М., J. Geophys. Res.,

52.

53.

54.

55.

56.

57.

58.

59.

52.

53.

54.

55.

56.

57.

58.

59.

Glasstone S., Sourcebook on the Space Sciences, New York, Van Nostrand, 1965.

ММааson В.,son В.,Fried n^a n I., Geochim. et Cosmochim. Acta, 14, 316 (1958).

М

М

а

а

son В.,

son В.,

一 Meteorites, New York, Wiley, 1962. (Русский перевод: Б. M e й с о н, Метеориты, AV, 1965.) у t е A., S е n f t 1 е F., Wirtz Р., J. Geophys. Res., 70, 1985 (1965).

Reynolds J. H., Geochim. et Cosmochim. Acta, 20, 101 (I960).

N а е s е г С. W.,N а е s е г С. W.,Price Р. В..Price Р. В..V i s t e E., Anders E., J. Geophys. Res., 67, 2913 (1962). Fleischer R. L.,… -

N а е s е г С. W.,

N а е s е г С. W.,

Price Р. В..

Price Р. В..

1491 (1965).'

Fleischer R. L., Price P. B., Walker R. M., Geo- chim. et Cosmochim. Acta, 29, 161 (1965).

Price P. B., Walker R. M., Phys. Rev. Letters, 8, 217

(1962).

Spencer L. J., Mineral Mag., 23, 387 (1933).

Кринов E. Л., Основы метеоритики, M., 1955.

В а г n e s V. E., Scientific Amer., 205, № 5, 58 (1961).

Urey H. C., Nature, 179, 556 (1957).

Chapman D. R., Larson H. K・， J. Geophys. Res., 68, 4305 (1963).

H a w k i n s G. S., J. Geophys. Res., 68, 895 (1963).

ЛУНА

Луна ——это ближайшее к нам небесное тело. Среднее расстояние между центрами Земли и Луны равно 384 321 км. Луна —— единственный в своем роде спутник планеты, поскольку отношение ее массы к массе Земли больше, чем отношение массы любого другого спутника к массе центральной планеты. Центр масс системы Земля —— Луна находится внутри Земли, примерно в 4700 км от ее центра. Диаметр Луны немного больше четверти диаметра Земли. Альбедо Луны низко: отражается лишь примерно 7% света, падающего на ее поверхность, а остальное поглощается. Так как Луна делает один оборот вокруг своей оси за то же время, что и один оборот вокруг Земли, то доля поверхности Луны, доступная наблюдениям с Земли, почти не меняется. Однако поскольку существует небольшое кажущееся покачивание Луны, или либрация, то с Земли можно увидеть около 59% поверхности Луны. Либрация одного вида возникает вследствие наклонения земного экватора к плоскости лунной орбиты. Другая либрация связана с неодинаковостью скорости движения Луны по орбите.

Поверхность Луны покрыта равнинами и возвышенностями (рис. 36). Первые представляют собой большие темные области, которые некогда считали океанами. Их назвали морями, но поскольку на Луне воды нет, на самом деле они представляют собой огромные равнины. Многие, хотя далеко не все горы ——это кольцевые горы, окружающие кратеры. Другие, по-видимому, расположены случайным образом, а некоторые образуют горные цепи.

Кратеры гораздо чаще встречаются на возвышенностях, чем в морях. Вероятно, большинство кратеров возникло до формирования современной поверхности морей. Некоторые

кратеры кажутся почти погребенными в морях, у них видны лишь неясные очертания. У других кратеров, располо

женных в морях, не видно следов затопления: вероятно, они более позднего происхождения, чем моря. В некоторых

Р и с. 36. Северная часть Луны. Кавказские горы и долина Альп. Возраст Луны 8 дней.Р и с. 36. Северная часть Луны. Кавказские горы и долина Альп. Возраст Луны 8 дней.

Р и с. 36. Северная часть Луны. Кавказские горы и долина Альп. Возраст Луны 8 дней.

Р и с. 36. Северная часть Луны. Кавказские горы и долина Альп. Возраст Луны 8 дней.

из кратеров, особенно в крупных, имеется одна или несколько центральных горок. Крупнейший кратер на видимой стороне Луны ——это Клавий, диаметр которого равен 227 км. Многие кратеры в сущности представляют co6oii равнины, окруженные валами; их диаметры велики по сравнению с высотой стенок кратера. У таких кратеров высота стенок может составлять только 2——3% ширины расположенной внутри равнины. На фотографиях, полученных зондами «Рейнджер» (таких, как на рис. 37), видны кратеры диаметром до 50 см. Установлено, что число кратеров растет с уменьшением их размеров.

Рис. 37. Телевизионные изображения, переданные зондом «Рейнджер-8» 20 февраля 1965 г.

а — за 4 мин до удара зонда о поверхность. Север наверху, при этом тени находятся в левой части кратеров. В северо-западном углу виден кратер Сабин. Две параллельные борозды, возможно, аналогичны земным грабенам. Размеры кадра 93X69 км.

6 ——за 7 мин до удара. Кратер Дел амбр диаметром 52 км находится близ центра снимка.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЛУНЫ

Вопрос о частицах на Луне представляет особый научный интерес с двух точек зрения. Во-первых, наблюдались облака, предположительно состоящие из газов и частиц, которые исходили из центральных горок кратеров (или по меньшей мере из одной центральной горки в одном кратере). Это может означать, что по крайней мере некоторые горы и кратеры имеют вулканическое происхождение. Во-вторых, возможно, что значительная часть поверхности Луны покрыта слоем пыли. Это интересно не только само по себе, но может иметь важное значение для осуществления мягкой посадки космического корабля на Луну, поскольку корабль погрузится в пыль. Как будет показано ниже, такое погружение маловероятно.

Чтобы построить разумную теорию о природе поверхности Луны и о возможности существования на ней сейчас или в прошлом вулканов, полезно рассмотреть вопрос о происхождении Луны. Широкую поддержку получила точка зрения о том, что Луна состоит из вещества, оторвавшегося от поверхности Земли на заре ее истории. Эта теория кажется приемлемой, так как плотность Луны ближе к плотности земной мантии, чем к плотности Земли в целом. Кто высказал эту гипотезу первым — уже забыто, но считается, что первым разумный механизм такого отрыва предложил Джордж Дарвин, сын знаменитого Чарлза Дарвина. Он предположил, что между собственными колебаниями Земли и приливами, вызываемыми Солнцем в теле Земли, возник резонанс (1, 2]. Явления такого рода, как известно, вызвали много катастроф, например обрушение моста через пролив Такома в результате резонанса между собственными колебаниями моста и порывами ветра. Согласно теории Дарвина, отрыв Луны от Земли должен был произойти после того, как сформировались мантия Земли и ядро. Дарвин» в частности, указал на то, что если соединить Луну и Землю, то суммарный угловой момент их будет соответствовать периоду вращения 4 час. Период солнечных приливов тогда будет равен 2 час, что близко к периоду свободных колебаний Земли.

У этой теории есть несколько трудностей. Напрнмер, если Земля была твердой, энергия резонанса должна была

быстро рассеиваться в виде тепла. Если Земля была жидкой, то сомнительно [2], могла ли в ней сохраняться н поддерживаться высокая температура. Нельке [3] нашел, что новоотделенная Луна вызовет прилив, который приведет к тому, что Луна вновь соединится с Землей. Юри [2] поэтому приходит к выводу, что Луна не могла образоваться путем отделения от Земли.

Интересный вариант теории деления был предложен Уайзом [4]. Он предполагает, что непосредственно перед отделением Луны Земля имела почти однородный состав и вращалась столь быстро, что небольшое увеличение центробежной силы, возникшее вследствие увеличения скорости вращения, должно было вызвать отделение вещества в экваториальной области. Судя по ранним работам Джинса, это должно было произойти тогда, когда период вращения Земли был равен примерно 2,65 час. Согласно гипотезе Уайза, момент инерции Земли уменьшался вследствие гравитационного опускания масс, их слияния и сжатия или осадки центральных частей, что привело к формированию ядра Земли. Для того чтобы угловой момент сохранялся, период вращения Земли должен был уменьшиться примерно на полчаса, н это привело к разрыву н отделению Луны от Земли.

Важной частью этой теории является вопрос о форме, которую Земля принимает в период неустойчивости. При малых скоростях вращения она имеет форму сплюснутого сфероида, близкую к современной. При увеличении скорости вращения сжатие увеличивается, пока вращение не становится неустойчивым, после чего Земля приобретает сигарообразную форму (форму трехосного эллипсоида). Земля вращается вокруг самой короткой оси эллипсоида, и на одном конце ее образуется перемычка. Возникает гантелеподобное тело, так называемая фигура Пуанкаре. В конечном счете перемычка разрывается и отделяется Луна. Земля возвращается к устойчивой форме, видимо к форме сплюснутого сфероида. При отделении Луны образуется также несколько фрагментов, которые в конце концов упадут на Луну или на Землю.

По теории Уайза, нужна не расплавленная, а всего лишь пластичная Земля. Существует много доказательств того, что вещество Земли действительно течет под длитель-

ным воздействием очень больших сил. Уайз указывает, что главный аргумент против теории Дарвина и его собственного варианта состоит в том, что в настоящее время кинетическая энергия н угловой момент системы Земля ——Луна слишком малы. Он приводит доводы, говорящие о том, что само это возражение покоится на довольно зыбкой почве.

Другую теорию или целый класс теорий можно назвать теориями двойной планеты. В одной теории предполагается, что Земля и Луна первоначально существовали в виде протопланеты ——газовой массы, образовавшейся из вещества, бывшего ранее частью солнечной туманности. При охлаждении горячей протопланеты железо конденсировалось в первую очередь и образовывалось ядро Земли. Предполагается, что Земля и Луна возникли из протопланеты по отдельности. Главным затруднением этой теории является объяснение различия в плотности Земли и Луны. Если последняя образовалась после того, как железо уже сконденсировалось н его агломерация привела к образованию земного ядра, то трудно объяснить, почему в Земле и в ее атмосфере столь мало газов с молекулярным и атомным весом большим, чем у гелия [2, 51.

Другой вариант этой гипотезы состоит в том, что Земля и Луна образовались из одного и того же облака твердого вещества. Он не объясняет различий в плотности.

Третья теория заключается в том, что Луна образовалась в солнечной системе отдельно от Земли н позднее была захвачена. Юри [2] присоединяется к этой точке зрения и считает, что по сравнению с планетами земной группы Луна представляет собой первичное тело. Он полагает, что состав Луны сходен с составом Солнца н с составом твердого вещества в первоначальном пылевом облаке. Интересная разновидность этой гипотезы состоит в том, что Луна некогда подошла к Земле очень близко. Часть ее оторвалась и упала на Землю, что в конечном счете привело к образованию континентов [6]. Затем Луна постепенно удалилась на современное расстояние.

Ни одна из этих гипотез не является вполне удовлетворительной, н за последние годы увеличилось число высказываний в пользу того, что дарвиновская приливная теория все-таки в основном правильна.

РЕЛЬЕФ ЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Наиболее бросающимися в глаза деталями лунной поверхности являются кратеры. Существуют многочисленные теории относительно их происхождения, но наибольшее признание получили две из них: 1) кратеры образовались при столкновениях метеорных тел с поверхностью Луны и 2) кратеры возникли в результате вулканической деятельности.

Крупные лунные кратеры очень сильно напоминают вулканические кратеры типа кальдер. Такие кальдеры обычно бывают на вершине вулканического конуса в результате обрушения его в полость, образующуюся под конусом после ухода магмы. Ширина возникающей при этом кальдеры часто гораздо больше глубины, точно так же как у лунных кратеров. Кальдеры часто имеют центральные конусы, которые образуются при извержениях, следующих за возникновением кальдеры. Широко известным примером является большой шлаковый конус в кальдере Кратер-Лей к в Орегоне (США). В лунных кратерах обычны центральные горки, которые могут иметь на вершине углубления. Грин [7] указывает на замечательное сходство между ясно выраженным конусом в кальдере Мокуавеовео на Гавайских о-вах и центральной горкой в лунном кратере Альфонс. Гавайские кальдеры с их залитым лавой дном очень похожи на крупные лунные кратеры. Эта теория сталкивается с рядом трудностей. Дно почти всех кальдер расположено выше уровня поверхности за пределами вулканической структуры, хотя в Исландии из этого правила, возможно, имеются исключения. Кроме того, крупные лунные кратеры гораздо больше кальдер. С другой стороны, лунные кратеры почти наверняка значительно старше любой земной вулканической формы, так как лунные кратеры не подвергались мощной эрозии, действующей на Земле. Возможно, что на ранних этапах истории Земли вулканы образовывали кратеры, подобные крупным кратерам на Луне.

Многие лунные кратеры напоминают земные вулканические кратеры — так называемые маары. Это кратеры, которые, по-видимому, образовались во время одного взрывного извержения, при котором была сорвана часть окружающих

пород. Вал кратера обычно относительно низок, и кратер частично заполнен материалом, который обрушился со стенок и образовал относительно ровное кратерное дно

Р н с. 38. Кратер Убехебе типа маара в Долине Смерти в Калифорнии.

(рис. 38). Маары имеют тенденцию располагаться цепочками вдоль разломов или рифтовых долин в земной коре. Цепочки кратеров на Луне ——явление обычное, н по крайней мере некоторые из них по происхождению могут быть сходны с маарами. Шумейкер [8] указал на то, что на Луне имеются кратерные цепочки нескольких типов, и подробно их описал.

Другие детали на Луне напоминают щитовые вулканы. Шумейкер [8] утверждает, что все лунные образования, напоминающие земные щитовые и стратовулканы, имеют размеры, сравнимые с размерами их земных двойников, и что вулканические процессы на Луне и на Земле протекают примерно в одинаковых масштабах.

Имеется ряд указаний на то, что вулканическая активность на Луне существует до сих пор, и в результате ее образуется по крайней мере какое-то количество пыли. Олтер обнаружил, что на фотографиях, полученных 26 октября 1956 г. в синих лучах, трещины в кратере Альфонс выглядели более размытыми, чем в соседнем кратере Арза- хель. Олтер предположил, что это может быть вызвано истечением газов в западной части Альфонса. Козырев [9] указал, что такая дымка на Луне не может быть следствием релеевского рассеяния, но, возможно, она образуется в результате флуоресценции газов под действием солнечного излучения.

3 ноября 1958 г. Козырев [9] получил спектрограмму центральной горки Альфонса, показывающую полосы флуоресценции газов, исходящих из этой горки. Во время экспозиции горка выглядела ярче и белее обычного. Когда горка вернулась к нормальному виду, была получена другая спектрограмма, на которой флуоресценции уже не заметно. Истечение газа продолжалось от 0,5 до 2,5 час. Козырев [9] предполагает, что новые спектральные полосы были резонансными полосами Свана, принадлежавшими молекуле С2. 23 октября 1959 г. был получен другой необычный спектр Альфонса. Детали в красной части спектра были интерпретированы как излучение лавового потока при температуре около 1200° К. Козырев [9], между прочим, полагает, что крупные кратеры являются вулканическими кальдерами н что больший диаметр лунных кратеров можно объяснить тем, что сила тяжести на Луне равна〔厶 земной силы тяжести.

Другие наблюдения красного свечения на Луне были описаны Гласстоном [1]. Нет никаких сомнений, что такое свечение действительно существует, и вполне возможно, что оно вулканического происхождения.

Большое число земных кратеров почти наверняка возникло при ударах метеоритов. Многие из этих кратеров по

форме очень напоминают крупные кратеры на Луне. Хорошо известным примером земного ударного метеоритного кратера является Аризонский кратер, внешне очень напоминающий маар. Глубина его около 200 %, диаметр немного более 1 км, вал кратера на 30——60 м поднимается над

Рис. 39. Кратер Коперник.

окружающей поверхностью [8]. В породах под кратерным дном было найдено метеоритное железо, указывающее на происхождение кратера. Другим примером является бассейн Нордлингер-Рис близ Штутгарта, ФРГ. Первоначально диаметр его был около 50 км. Таким образом, по размерам он ближе к лунным кратерам, чем большинство других земных кратеров.

От некоторых крупных лунных кратеров исходят длинные светлоокрашенные лучи (рис. 39). Согласно ударной теории кратерообразования, лучи состоят из раздробленного вещества, выброшенного при ударе. Согласно вулканы-

ческой теории, это рифтовые зоны или дайки. В лучах расположено большое число малых кратеров, являющихся по ударной теории вторичными или третичными кратерами. Они образовались при падении вещества, выброшенного нз первичного или из вторичного кратеров. Почти все крупные лунные кратеры круглые, тогда как многие предположительно вторичные кратеры вытянуты. Кратеры, образовавшиеся при высокоскоростных соударениях, вероятно, имеют круглую форму независимо от того, какой угол составляет с поверхностью траектория ударяющего тела. Выброшенное вещество распределится при этом симметрично. Вторичные и третичные кратеры не обязательно будут круглыми, так как скорость удара в этом случае меньше. Голт и др. [10,11 ] предприняли лабораторные исследования сверхскоростных ударов о материалы, пористость которых менялась в широком диапазоне. Явления, происходящие при ударе, регистрировались высокоскоростной кинокамерой. Пористость достигала 87%, и во всех случаях раздробленное вещество выбрасывалось из возникавших при ударе кратеров. Результаты Голта н др. подтверждают предположение, что, за исключением отдельных случаев образования «струй», косые удары создают распределение обломков, практически симметричное относительно оси, перпендикулярной к поверхности мишени. «Струи», возникающие при ударах о поверхность Луны, вероятно, выбрасывают некоторое количество частиц в окололунное и межпланетное пространство. Возможно, что они играют некоторую роль в образовании тектитов, упомянутых в предыдущей главе.

Голт и др. [11 ] нашли, что кратеры, образующиеся в связанном гранулированном веществе, обычно имеют чашевидную форму с плохо выраженными краями. На дне таких кратеров наблюдается мелкораздробленное вещество. Кратеры, образующиеся в пемзе, имеют бутылкообразную форму, подповерхностный диаметр их несколько больше, чем диаметр на поверхности. Внутренность «бутылки», и особенно нижняя ее часть, покрыта порошкообразным и частично расплавленным веществом. Эти отличия от кратеров, образующихся в гранулированных субстратах, были приписаны большей пористости и прочности н ячеистой структуре пемзы.

Полная масса, выбрасываемая из гранулированных мн- шеней, примерно в 103 раз превышает массу снаряда н в 3 раза — массу, выбрасываемую при сравнимых условиях из кратеров в базальтовых мишенях. Однако масса, выброшенная из кратеров в пемзе, только в 40 раз больше массы снаряда.

Голт и др. [10] предположили, что непрерывные удары метеорных тел о лунную поверхность будут образовывать стационарный рой выброшенного вещества, которое постоян> но находится над поверхностью Луны. Концентрация частиц в этом облаке, согласно их оценке, в Ю5—Ю7 раз больше, чем концентрация метеорных тел в межпланетном пространстве. Авторы указывают, что это создает «неблагоприятные условия» для космических кораблей, но подчеркивают, что, поскольку эти частицы вторичные, скорости частиц н, следовательно, вероятность серьезных пробоев малы.

Очень заметными образованиями на поверхности Луны являются также моря. Темные, относительно ровные моря на фоне континентов образуют знакомые всем очертания «человечка на Луне». Большая часть лунных кратеров, по- видимому, образовалась до возникновения морей. Есть некоторые указания на то, что лунные моря имеют примерно тот же возраст, что н океаны на Земле. Если это так, то доморские кратеры должны были образовываться примерно в течение 100 000 лет. Это в свою очередь означает, что на последних этапах аккумуляции твердых тел, образовывав вших Луну и Землю, должно было происходить интенсивное кратерообразование. Эта точка зрения не общепринята. Некоторые ученые считают, что моря геологически относительно молоды и скорость кратерообразования доморских и послеморских кратеров была примерно одинаковой.

Наиболее общепринятая теория образования морей состоит в том, что моря возникли при крупных излияниях лавы. В этом отношении они, возможно, сходны с гигантскими лавовыми плато в штатах Вашингтон и Айдахо, при остывании которых образовался рельеф, напоминающи/!

лунные кратеры. Происхождение лавы также может быть одинаковым: на поверхность Земли она изливалась из гигантских рифтов. Разновидностью этой теории является теория о том, что лава образовалась в результате гигантского выделения энергии при ударе огромного метеорита о поверхность Луны. Юри [2] проводит различие между моря- мн с почти круговыми очертаниями и морями неправильной формы. Он полагает, что первые, например Море Дождей, образовались непосредственно при ударе, и ранее существовавшие детали поверхности были разрушены ударной волной. Согласно этой теории, другие моря образовались путем затопления в результате вторичных процессов, например при излияниях лавы из круговых морей. Юри полагает также, что если лунная поверхность или ударяющее тело содержали летучие вещества, то возникало огромное облако мелкораздробленных и, возможно, расплавленных пород. Наиболее убедительным подтверждением гипотезы Юри является то, что Море Дождей окружено валами и ложбинами, выходящими за пределы его «берегов». Создается впечатление, что они образованы веществом, выброшенным при ударе. С другой стороны, ложбины могут быть сбросовыми и возникнуть иным путем.

Существует ряд аргументов против предположения об образовании лавы при ударе. Многочисленные лабораторные исследования показали, что при высокоскоростных ударах о силикаты происходит дробление, но не плавление. Однако отношения поверхности к объему для этих экспериментов и для лунных ударов очень различны, и эти результаты не вполне убедительны,хотя и наводят на размышления.

Другая теория о природе поверхности морей состоит в том, что моря сложены лавой особого типа, так называемой туфолавой. Упомянутые выше обширные лавовые потоки на плато Колумбия в штате Вашингтон были образованы истечениями жидкой лавы. Образующиеся таким путем базальтовые потоки легко опознать по покрытой перекрученными жгутами (см., например, рис. 8) или очень неровной затвердевшей поверхности. Лавовые плато могли образоваться и иным путем. Если магма необычно вязкая, что может быть вызвано высоким содержанием кремнезема, н если она содержит много газов, то такая лава может выделять огромные облака раскаленных частиц [ 12]. Такие

облака, вероятно, состоят из жидких частиц, находящихся во взвешенном состоянии в газах, выделяющихся из частиц. Облака эти очень тяжелые н текут подобно жидкости. В этом они сходны с базисными волнами, образующимися при ядерных взрывах, которые описаны в гл. IV. В результате консолидации частиц по окончании газовой фазы образуются относительно твердые породы. Таким путем, вероятно, образовались большая часть Йеллоустонского плато в США и Долина Десяти Тысяч Дымов на Аляске. Такие по- токи имеют тенденцию принимать форму нижележаще!! поверхности. Этим объясняют возникновение кратеров-фантомов в некоторых лунных морях.

Другим предлагавшимся объяснением происхождения морей является удар ядра кометы. Если такое ядро состоит из частиц, скрепленных своего рода «льдом» (см. гл. VII), результаты удара могут быть локализованы, и возникший кратер будет относительно гораздо более мелким, чем при ударе метеорита.

Фотографии обратной стороны Луны, полученные советской автоматической межпланетной станцией «Луна-3», показывают, что на обратной стороне меньше морей, чем на стороне, видимой с Земли, Гласстон [1] утверждает, что это различие говорит о том, что моря образовывались преимущественно при ударах тел, двигавшихся между Землей и Луной после того, как Луна уже была постоянно обращена одной стороной к Земле. Описанная выше гипотеза Уайза [4] об отделении Луны от Земли дает объяснение как тому факту, что одна сторона Луны всегда обращена к Земле, так и гипотетическим объектам между Землей и Луной.

Другой деталью лунной топографии являются горы. Многие из них расположены вокруг круговых морей. Согласно ударной теории образования морей, эти горы состоят из вещества, вытолкнутого или выброшенного при ударе из поверхностных слоев Луны.

ЛУННАЯ АТМОСФЕРА

Наиболее важное свойство лунной атмосферы состоит в том, что она очень мала. (Сопоставление скорости ускользания для Луны'со скоростями отдельных атомов и молекул

которые они имеют при температурах лунной поверхности, показывает, что в лунной атмосфере могут быть лишь следы кислорода, азота н более легких газов. Существует несколь- ■о способов оценки верхнего предела давления атмосферы на Луне. При определенных условиях лунная атмосфера могла бы вызывать поляризацию света, но таких явлений никогда не наблюдалось. Это значит, что если лунная атмос- ф^а и существует, плотность ее должна быть меньше 10~8 плотности атмосферы у поверхности Земли.

Другой метод определения плотности лунной атмосферы заключается в измерении электронной концентрации в ее ионосфере. Ионизованная среда преломляет радиоволны, и величина преломления является функцией электронной концентрации. Преломление радиоволн от Крабовидной туманности при ее прохождении близ Луны показывает, что электронная концентрация лунной ионосферы равна 103—104 электрон!см3. Это соответствует полной концентрации атомов и молекул меньше 10—з концентрации в атмосфере у поверхности Земли.

Столь редкая атмосфера означает, что частицы близ лунной поверхности будут падать на нее, практически не встречая сопротивления воздуха. Частицы, каким-либо образом выброшенные с поверхности, будут двигаться практически по баллистическим траекториям, а не переноситься атмосферой в составе пылевых облаков.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВА НАЛИЧИЯ ПЫЛИНА ПОВЕРХНОСТИ ЛУНЫ

Гипотеза о том, что поверхность Луны покрыта слоем пыли, занимала ученнх в течение многих лет. Этот вопрос приобрел практическое значение в связи с осуществлением мягкой псюадки на поверхность Луны, т. е. посадки, при которой не повреждается ни космический корабль, ни его содержимое. Космический корабль может погрузиться в глубокий слой сыпучей пыли, если только такой слой су・ ществует.

Есть много разнородных указаний на то, что лунная поверхность полностью или частично покрыта пылью или по крайней мере сильно пузырчатым дендритным или волокнистым веществом. Одним из таких указаний является ха-

рактер поляризации лунного света, изученный Дольфюсом [13]. Световые волны можно рассматривать как электромагнитные колебания. Если колебания имеют одинаковую амплитуду во всех направлениях, перпендикулярных к направлению распространения света, то говорят, что свет не поляризован. Если амплитуда меняется с направлением, то свет, по крайней мере частично, поляризован. Степень поляризации можно охарактеризовать количественно выражением

р = (61) 十

где /]——интенсивность излучения с колебаниями в направлении максимальной амплитуды, а /2 — интенсивность излучения с колебаниями, происходящими под прямым углом к этому направлению.

Когда луч неполяризованного света отражается от по- верхности, он обычно в какой-то мере поляризуется, н степень поляризации зависит от угла между лучом и поверхностью, угла наблюдения н природы поверхности.

Степень поляризации лунного света неоднократно измерялась при помощи высокоточного поляриметра. Дольфюс [13] приводит результаты Лио [14, 15], который нашел, что максимальная поляризация прибывающей Луны равна 0,066, а Луны на ущербе 0,088. Различие вызвано неодинаковым числом морей в разных частях видимого диска Луны. От первой четверти до полнолуния поляризация уменьшается. Измерялась также поляризация света, отраженного от различных участков Луны. Согласно Дольфю- су, поляризация максимальна для Океана Бурь и Моря Спокойствия н минимальна для кратера Гиппарх. Дополнительные данные для отдельных районов Луны были получены Райтом, Эманом и Дольфюсом.

Чтобы истолковать эти результаты сточки зрения природы лунной поверхности, надо, очевидно, знать, каким образом поляризуют свет поверхности различного типа. Когда свет падает на поверхность, часть его, /「，отражается и поляризуется до степени Рг, Остальной свет, /р, проходит сквозь поверхность, где он поглощается, рассеивается или преломляется. Преломленный свет поляризован до степени Рр под прямым углом к направлению поляризации, возникающей

прм отражении. Полная величина поляризации дается выражением

• Р/г + РрК/р (6.2)

- h + KIp '

吸 К — доля света, прошедаего сквозь поверхность, кото~ ^ЗЯ испытала преломление. Дольфюс указывает, что для стекла Ри/ определяются законами отражения н преломления света Френеля, а в случае непрозрачных веществ поляризация возникает почти целиком при отражении света от иоверхности. Если поверхность плоская, отражение происходит в основном по обычному закону равенства углов падения н отражения и поляризация максимальна в направлении отраженного луча. Если поверхность неровная, то свет отражается во многих направлениях и максимум поляризации выражен не столь резко. Таким образом, на характер поляризации света, отраженного и рассеянного п。- 轄рхностью, заметно влияет физическая природа этой поверхности (неровная, гладкая, волнистая и т. д. ) и физическая и химическая природа вещества, слагающего эту поверхность.

Были проведены многочисленные исследования поляризации света, отраженного от различных материалов. Дольфюс пришел к выводу, что только поверхности, сложенные непрозрачными порошками, для которых Рр = 0, дают поляризационные кривые (Р в функции угла рассеяния), аналогичные тем, которые дает лунная поверхность. Он нашел также, что природным земным веществом, создающим поляризацию, характер которой ближе всего к поляризации лунной поверхности, является вулканический пепел.

Дольфюс измерил также поляризацию «пепельного» света, который представляет собой отраженный от Луны свет Земли. При освещении Луны Солнцем н Землей ситуация различна, так как солнечный свет не поляризован, а свет, отраженный от Земли, подобно лунному, частично поляризован. Результаты вновь оказались в согласии с теорией о том, 4то лунная поверхность покрыта непрозрачной пылью.

Несмотря на то что в поляризации, создаваемой разными частями Луны, имеются небольшие различия, во всех исследованных местах, даже на самых крутых склонах, поверхность ведет себя так, как если бы она была покрыта 8—1275

слоем пыли. Однако пол я р изацион ные данные почти не дают информации о толщине такого пылевого слоя.

Родственный метод изучения природы лунной поверхности основан на фотометрических измерениях. Практически он состоит в определении изменений интенсивности отраженного солнечного света в функции угла падения луча и угла наблюдения. Этот метод был развит Фесенковым [16], Хапке и фон Хорном [17, 18].

Необычное свойство лунной поверхности состоит в том, что она отражает и рассеивает свет таким образом, что яркость почти всех участков Луны увеличивается до максимума в полнолуние. В это время Солнце находится непосредственно за наблюдателем. С другой стороны, большинство неровных земных материалов отражают свет таким образом, что яркость почти не зависит от направления луча зрения. Другой особенностью поверхности Луны является то, что в полнолуние центр лунного диска имеет почти такую же яркость, что и его края, хотя обычно центр сферы с неровно!^ поверхностью, освещенной далеким источником света и наблюдаемой при нулевом угле фазы, более ярок, чем ее края. Фесенков [16 ] утверждает, что на это свойство Луны впервые указал Галилей. Формы фотометрических кривых сходны для всех изученных лунных образований, и для любого типа образований, в согласии с наблюдением Галилея [18], положение максимума при нулевом угле фазы не зависит от положения точки на лунном диске. Форма кривой не зависит от широты, но меняется с долготой.

Фесенков приходит к выводу, что, так как лунная поверхность «не имеет ничего общего с обычными диффузно рассеивающими поверхностями», Луна не может быть покрыта однородным слоем пыли. Он полагает, что она покрыта слоем чрезвычайно пористого вещества, состоящего из отдельных зерен. Они должны быть способны отражать свет в обратном направлении и отбрасывать тени.

Хапке н фон Хорн [17] провели серию фотометрических исследований сложных поверхностей, пытаясь вняс- нить факторы, влияющие на рассеивающие свойства таких поверхностей, и, в частности, установить причину необычного характера рассеяния и отражения света поверхностью Луны. Они указывают, что сильное обратное рассеяние может создаваться угловатыми отражающими или сфер и-

вескими прозрачными частицами с соответствующим показателем преломления. Однако они думают, что такие структуры на Луне не могут сохраняться вследствие микрометео- ритной бомбардировки. Они согласны с Фесенковым в том, что наиболее разумное объяснение фотометрических характеристик Луны состоит в образовании теней на поверхности вещества, состоящего из сложных структур. Для того чтобы возникало требуемое обратное рассеяние, эти структуры должны быть много больше длины волны видимого света.

Было изучено более 250 веществ. Фотометрическая установка состояла из источника модулированного света и детектора с усилителем переменного тока, позволяющего работать в освещенной комнате. Единственными поверхностями, воспроизводящими рассеивающие свойства лунной поверхности, оказались те, структура которых подобна описанной выше, в том числе лишайники, трава, губчатая целлюлоза н различные порошки, насыпанные на поверхность через сито. В число порошков входит углерод, хлористое серебро, сульфид никеля и окись меди. При их просеивании образовывались структуры, которые Хапке назвал «воздушными замками». Упаковка частиц в них очень неплотная, чего нельзя достичь путем простого высыпания порошка на плоскую поверхность. Плотность порошков с такой ажурной структурой составляет 10——20% плотности вещества, из которого состоят частицы. Хапке н фон Хорн считают, что такие структуры возникают вследствие образования зарядов на частицах н действия кулоновских сил между частицами при их осаждении. После того как структуры образовались, они поддерживаются вандерваальсовыми силами, действующими между полярными молекулами. Ажурные структуры, состоящие из земных пород, слишком прозрачны, чтобы обладать фотометрическими свойствами лунной поверхности. Лунные порошки, однако, могут подвергаться действию ряда процессов, которые вызывают их потемнение, например бомбардировке ионами водорода из солнечного ветра.

Было проделано несколько лабораторных исследований с целью определить, происходит ли в действительности такое потемнение [19—21 ]. Ряд порошкообразных веществ был подвергнут действию разреженной водородной плазмы, которая образуется высокочастотными полями. Ионная 8*

бомбардировка производилась путем приложения напряже- ння высокой частоты к металлическому электроду, расположенному под изучаемым веществом; 2 сек бомбардировки соответствовали примерно году бомбардировки солнечным ветром на Луне.

Было изучено множество порошкообразных веществ и окислов. Альбедо и другие отражательные свойства порошкообразного базальта с диаметром частиц в диапазоне 2——10 мк наиболее похожи на характеристики лунной поверхности [21 ]. Альбедо уменьшается до наименьшего уров- ня очень быстро, но для того, чтобы возникли такие свой- ства зеркального отражения, которыми обладает лунная поверхность, необходима бомбардировка, эквивалентная 105 годам бомбардировки лунной поверхности.

Если бомбардировку водородными ионами заменить бомбардировкой гелиевыми, то изменения поверхности оказываются выражены менее резко. Это означает, что здесь играет роль химическое действие водорода. Поверхности подвергнутых бомбардировке окислов меди н железа содержат метал - лическую медь и железо.

Поверхности, испытавшие бомбардировку, были покрыты очень маленькими иголочками и остриями почти непро- зрачного вещества. Вероятно, это явление ответственно за понижение зеркального отражения н сильное обратное рассеяние.

Хапке [18] построил теоретическую фотометрическую функцию для лунной поверхности. Эта функция основана на модели поверхности, состоящей из ажурных структур, т. е. на модели сильно пористого слоя, в котором пустоты сообщаются между собой.

Третий обычный метод изучения строения лунной поверхности заключается в измерении излучаемой ею электромагнитной радиации. Все тела с температурой выше абсолют- ного нуля излучают радиацию, интенсивность которой есть функция температуры н излучательной способности, описываемая формулой Планка. Кривая интенсивности в функции длины волны имеет максимум, н длина волны, соответствующая максимуму интенсивности, увеличивается с уменьшением температуры. Например, «температура излучения» Солнца равна примерно 6000° К, что соответствует длине волны максимальной интенсивности около 0,45 мк. Так как

хецпература земной поверхности около 300° К, она излуча- 审 в основном в инфракрасной области спектра.

Измерения излучения Луны были проведены в инфракрасном, миллиметровом и микроволновом диапазонах. И зависимость интенсивности от длины волны, и быстрота изменения кривых излучения при охлаждении Луны (например, во время затмения) дают ключ к пониманию природа лунной поверхности.

Теория температуры лунной поверхности была развита Эпштейном [22], Ягером [23] н Весселинком [24] и пересмотрена Синтоном [25]. Температура Т на некотором расстоянии % ниже уровня плоской поверхности пол у бес- конечного однородного тела определяется уравнением

дТk д2То а

.木=—力，(6.3)

pc ox

где £ ——время, k ——теплопроводность, р ——плотность, с —— теплоемкость. Тепловой поток F определяется уравнением

(6・4)(6・4)

(6・4)

(6・4)

Если поток тепла, получаемого от Солнца, равен 厶， то на поверхности имеет место равенство

〃』=厶 + ”， (6.5)

ГДе индекс s означает условия на поверхности, а з — постоянная Стефана ——Больцмана. Когда лунная поверхность освещается Солнцем,

/5^^(1-Л)СО8 2кА-, (6.6)

1Де G ——солнечная постоянная, D — расстояние освещаемой поверхности от Солнца в астрономических единицах, Л ——альбедо поверхности, Р —— период вращения Луны. Когда поверхность Луны Солнцем не освещается, Is = 0.

Решения этих уравнений для Луны можно выразить только через параметр тепловой инерции (%У 2. Теоретические кривые температуры поверхности Луны для различных значений параметра тепловой инерции удобно строить в функции величины фазы и сравнивать их с наблюдаемыми

лунными температурами. Последние вычисляются из радиационных измерений при сомнительном предположен и и, что излучательная способность равна единице. Хорошее согласие между теоретической кривой и температурами, вычисленными по измерениям инфракрасного излучения, получается, если принять параметр тепловой инерции для Луны равным 0,0023.

Температуры по инфракрасному излучению определялись также и во время затмения. Температура менялась гораздо быстрее, чем в случае фазовых изменений, н 厶 падало от максимального значения до нуля примерно за 1 час. Значение параметра тепловой инерции получилось несколько меньше приведенного выше. Оно равно примерно 0,001.

Эти значения 他с)'。столь низки, что поверхность Луны не может быть покрыта скальными породами. Синтон [25] указывает, что большинство скальных пород имеет значения параметра тепловой инерции близкие к 0,05. Самое низкое значение этой величины для природных земных материалов найдено у пемзы. Оно равно 0,004, что все еще слишком велико. Значение (йрг),/г слишком велико даже для пыли, почти наверное из-за большого значения k. Возможно, однако, что теплопроводность пыли на лунной поверхности значительно меньше, чем на Земле. Возможность этого подробно обсуждалась Солсбери и Глезером [26]. Теплопроводность порошков на Луне может измениться вследствие очень низкого атмосферного давления, рентгеновского, ультрафиолетового и кор пускул я р ного излучений и характера упаковки частиц. Наиболее вероятно, что низкая теплопроводность объясняется высоким вакуумом.

Тепло может передаваться от одной частицы к другой в местах прямого контакта, а также через газ, находящийся между частицами. Так как теплопроводность газов обычно низка, а площадь контакта для порошков мала, то теплопроводность порошков относительно невелика. Когда пустоты заполняет газ, тепло в основном передается через него. Когда большая часть газа удаляется и порошок находится в вакууме, теплопередача в основном происходит в точках контакта. Следовательно, на теплопроводность таких по-

рошков оказывает заметное влияние характер упаковки частиц и давление в точках контакта.

В порошке происходит также передача тепла излучени- 炉I, и при низких давлениях, когда теплопроводность газа ^е играет большой роли, этот процесс может вносить замет- ЯыН вклад в общую теплопроводность .

Начиная с пионерских работ Смолуховского [27], были проведены многочисленные исследования, показавшие, что при достаточно низком давлении газа для ряда порошков величина （4?。）'％ примерно равна той, которая необходима для объяснения свойств лунной поверхности.

Поверхность не обязательно должна быть пылевой в обычном смысле слова. Радиометрическим наблюдениям может удовлетворять также слой игл, и Гиббс [28] предположил, что поверхность Луны покрыта игольчатыми кристаллами. Он считает, что такие кристаллы были первичной формой твердого вещества в солнечной системе. В лабораторных экспериментах также было показано, что многие вещества конденсируются из пара в твердое состояние в форме иголок или нитей. Гиббс развил теорию, по которой лунное вещество, не испытавшее плавления или испарившееся и осажденное вновь в результате метеоритных ударов, должно существовать на поверхности в форме иголок. В этой связи интересно, что, как сказано выше, бомбардировка солнечным ветром также может приводить к образованию иголок [21 ].

Измерения излучения Луны в миллиметровом диапазоне длин волн были проведены Коутсом [25, 29] на волне）、= ~ 4,3 мм, Синтоном [25,30] на волне а = 1,5 мм и Гибсоном [31, 32] на волне；、= 8,6 мм. Ряд измерений был проведен также в микроволновом диапазоне, например, Дике н Бе- ринджером [331 и Пиддингтоном и Минетом [34]. Измере-

ния были проведены при различных углах фазы или во время затмения.

На основании измерений на волне 入=8,6 мм и некоторых измерений на других длинах волн Гибсон [32] пришел к выводу, что типичная лунная поверхность состоит по меньшей мере из двух, а возможно, и из трех слоев. СамыН верхний слой толщиной примерно 5 мм должен быть сложен мелкодисперсным веществом (Гибсон говорит, что оно напоминает обычный песок). Средний слой может быть в несколько сантиметров толщиной и обладает высокой электропроводностью. Глубина самого нижнего слоя неопределенная. Возможно, что это просто скальные породы.

Радиолокационные отражения также дают информацию о природе лунной поверхности. Коэффициент отражения для волн радиолокационного диапазона зависит от диэлектрической постоянной, которая является функцией состава, фактуры поверхности и плотности.

Жиро [35] предпринял теоретический анализ излучения Луной радиоволн, учитывая результаты радиолокационных исследований. Он пришел к выводу, что Луна покрыта слоем вещества с низкой плотностью и рыхлым строением, возможно разрушенного действием радиации. Подобно многим другим исследователям, он полагает, что поверхность покрыта пылью с диаметром частиц от 10 до 300 мк. Он считает, что диэлектрическая постоянная вещества поверхности равна, вероятно, 1—1,5, теплопроводность 5-10~6 — 10一5 кал!сек-см- град, а объемная теплоемкость 0,1 —— 0,2 кал!град' см3.

Чтобы ответить на ряд вопросов, возникших при изучении отражения радиоволн от лунной поверхности, Хапке [36] провел лабораторные исследования характера упаковки мелких частиц. Очень малая диэлектрическая постоянная указывает не только на то, что плотность поверхностного слоя вещества очень низка, но и на значительную его толщину, порядка метра или более, на большей части лунной поверхности. Низкую плотность можно объяснить, предполагая, что поверхность Луны состоит из пенистых пород или сходных веществ, покрытых тонким слоем пыли, или принимая, что толщина пылевого слоя равна метру или более.

△V Изучался порошок дунита со средним размером частиц «юнее 10 儿к, прокаленный в атмосфере аргона для удаления ■ра и воды. Порошок просеивался через сито, и определялась зависимость его плотности от давления. Полученная функция была подставлена в уравнение гидростатического равновесия

j dp = pgdx, (6.7) где р н ,——соответственно давление н плотность, g ——ускорение силы тяжести на поверхности Луны, ах — глубина щъосительно уровня поверхности.

Полученное выражение было численно проинтегрировано, чтобы получить профиль плотности в гипотетическом ту ином грунте, в котором вещество на любой заданной глубине сжимается только весом вышележащего вещества. На поверхности дунитоподобных отложений плотность равна -примерно 0,3 г/см3 и 0,5 г/см3 на глубине 30 см. На глубине 30 м плотность будет около 1 г/см3. Цементирование зерен позволило бы порошку выдерживать большие давления и иметь на данной глубине меньшую плотность, но удары микрометеоритов могут увеличивать плотность.

Хапке [36] пришел к выводу, что обширные пылевые отложения на поверхности Луны, имеющие значительную глубину, не противоречат результатам наблюдений Луны в оптическом, инфракрасном и радиодиапазонах.

Герелс [37] построил модель лунной поверхности, в которой использованы все упомянутые выше данные. Он полагает, что верхний слой представляет собой облако частиц, содержащее около 0,5 % по объему твердого вещества. Радиус частиц равен примерно 0,8 冗к, а расстояние между частицами 8 мк. Согласно Герелсу, толщина этого слоя облака может быть около 0,06 мм. Предполагается, что частицы несут на себе заряды порядка 10-*8 эл.-ст. ед. и эти заряды поддерживают их во взвешенном состоянии. Эти частицы могут попадать на Луну из межпланетного пространства, т. е. они могут быть микрометеоритами. Слой под этим облаком состоит из гравия или «вспененных» пород.

Следует упомянуть еще об одном источнике данных о поверхности Луны, а именно о фотографиях, полученных зондами «Рейнджер» 7, 8 и 9 (см., например, рис. 37). На фотографиях, сделанных с самого близкого расстояния, можно различить детали диаметром до 50 см. Особый интерес пред-

ставляет отсутствие валунов и камней в морях и в кратере Альфонс. Края большинства малых кратеров не резкие, а закругленные, что истолковывается как указание на поверхность, покрытую пылью. Однако этот вывод очень спорен.

Очень интересную иллюстрацию важности совместного рассмотрения данных о поверхности Луны, полученных разными методами, дает нам кратер Тихо. Этот кратер, по-видимому, одно из самых молодых образований на Луне, так как лучи, тянущиеся от кратера, не перекрываются другими образованиями. Кроме того, вал кратера по сравнению с большинством других кратеров очень неровен. Оптические свойства внутренней части Тихо аналогичны свойствам остальной части Луны. Однако внутренняя часть Тихо очень сильно отражает радиоволны; термические свойства ее непохожи на свойства большей части поверхностного слоя Луны н близки к свойствам обычных пород. Эти данные говорят о том, что в этом относительно молодом кратере накопился только очень тонкий слой пыли.

ИСТОЧНИКИ ПЫЛИ НА ЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Относительно источников пыли на Луне было сделано множество пред пол ожени й. За ее образование и распределение по поверхности должен быть ответствен ряд механизмов. Поскольку природа пыли связана с механизмом ее образования, важно установить, какие источники пыли являются основными.

Метеорные тела с очень большим диапазоном размеров ударяются о Луну и вносят свой вклад в образование пыли по крайней мере двумя путями: а) мелкие частицы образуются различными способами при ударах метеорных тел п б) как сказано в конце предыдущего раздела, сами метеорные тела становятся частицами лунной пыли.

Как указывает Копал [38], если планета окружена атмосферой, то удариться о твердую поверхность могут только те метеорные тела, которые способны протнвостоят卜 тормозящему действию атмосферы. Если метеорные тела велики, то торможение мало, и они, хотя и измененные абляцией, достигают поверхности. Если они малы, то они могут тормозиться без испарения в разреженной верхней

атмосфере планеты. Метеорные тела промежуточного раз- иера разрушаются. Для Земли, согласно Копалу, эти про- межуточные тела находятся в диапазоне масс 10~7 — 103 г. Луна, однако, лишена защиты атмосферы, и ее поверхность подвергается бомбардировке метеорными телами в огромном диапазоне размеров. Это согласуется с фотогра- 嶼1хми, полученными космическими зондами «Рейнджер», на которых число кратеров монотонно увеличивается с уменьшением размеров по крайней мере до диаметра 50 см. Бомбардировка Луны, создающая пыль и кратеры, гораздо более интенсивна, чем аналогичная бомбардировка Земли.

Осколки и пыль, образующиеся при сверхскоростных ударах, исследовались очень широко, особенно Голтом и его сотрудниками [10, II, 39]. Некоторые из их результатов были описаны выше.

Копал [38] высказал предположение, что мельчайшие углубления, образовавшиеся при ударах, могут быть ответственны за необычные светорассеивающие свойства Луны. Он возражает против гипотезы Хапке об ажурных структурах на том основании, что метеорные тела падают на поверхность Луны со слишком большой скоростью, чтобы такие структуры могли образовываться. Однако ажурные структуры могут создаваться пылью, выброшенной с поверхности при ударе метеорита. Если даже микрократеры ответственны за светорассеивающие свойства лунной поверхности, ими, конечно, нельзя объяснить характера отражения радиоволн. Для этого нужна очень низкая плотность до глубины порядка метра или более.

Очень маловероятно, что большую долю лунной пыли составляют сами микрометеорные тела. Одна из причин состоит в том, что даже микрометеориты при ударе выбрасывают осколки, суммарная масса которых много больше массы ударяющего тела. Можно возразить, что эти осколки состоят из ранее упавших микрометеоритов, но и в этом случае степень их спрессованности должна сильно измениться под действием вторичных падений.

В качестве возможного механизма образования пыли на Луне часто предлагалось периодическое нагревание и охлаждение. Этот процесс теоретически и экспериментально изучил Райен [40]. Он определил растягивающие напряжения, возникающие в сферах различных размеров при тем-

пературных условиях, существующих на поверхности Луны, и сравнил их с напряжениями, рассчитанными по экспериментальным данным. Хотя теоретические расчеты показали, что термическое растрескивание действительно может происходить, результаты эксперимента говорят о том, что это маловероятно. Таким образом, температурные изменения на лунной поверхности не могут быть существенным источником пыли.

Изменения температуры на земной поверхности вызывают термическое растрескивание в основном из-за наличия воды. При 0° С объем воды сильно изменяется. Из-за очевидного отсутствия воды крайне маловероятно, что такой механизм действует на Луне. Солсбери и Смолли [41 ] считают, что этот механизм не действует на Луне уже в течение по крайней мере 109 лет.

Предполагалось, что облучение лунной поверхности ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами и корпускулами, например протонами, ответственно за образование большей части лунной пыли. Однако нет почти никаких данных, подтверждающих этот механизм. Действительно, те немногие экспериментальные и теоретические исследования, которые имеют отношение к этой гипотезе, показывают, что такое облучение не является существенным пылеобразующим механизмом. Фишер [42], например, изучил скорость эрозии железного метеорного тела в космическом пространстве. Расчеты основывались на данных о содержании редких газов в метеорите Грант н проводились по методу, разработанному Уипплом и Файрменом [43]. Фишер получил максимальное значение скорости эрозии 1,1-10"^ см/год.

Облучение может вызвать возникновение заряда на частицах, уже образовавшихся посредством какого-либо механизма. Заряды могут привести к перемещению частиц. Эта гипотеза первоначально была выдвинута Голдом [44], а затем была развита Граннисом [45], Уокером [46] и Кофманом [47].

Существует несколько способов возникновения зарядов

* пылевых частицах у лунной поверхности под действием <ХУ1нечного излучения. Поток солнечных протонов статис- ^flnscKvi равен потоку солнечных электронов, но вследствие аокальных вариаций потока при попадании протонов на частице может возникнуть заряд. Кроме того, и протоны и электроны могут вызывать эмиссию вторичных электронов. Эго может приводить к возникновению заряда, если только •мело возвращающихся электронов не точно равно числу испущенных. Граннис пол)^чил общее выражение для веро- ^тности возникновения заряда, учитывающее действие всех ■гих механизмов. Затем он учел тот факт, что соседние частицы могут получить заряд одного н того же знака. Ку- 渺новское отталкивание приведет к тому, что они будут <угбрасываться друг от друга н могут парить над поверхностью. Если поверхность ровная, то такое «подпрыгивание» не вызовет результирующего переноса пыли, но на склонах результирующий перенос будет направлен вниз. Этот эффект практически тождествен тому, который, помне- 遺ию Герелса [37], ответствен за образование гипотетического очень тонкого пылевого облака над лунной поверхностью. Граннис подсчитал, что время, необходимое для перемещения слоя лунной пыли толщиной 1 км и плотностью 4 г/см3 на расстояние 10 км, равно примерно 4-1011 лет. Это в 100 раз больше предполагаемого возраста системы Земля—Луна. В итоге он пришел к вмвоцу, что одно Только «подпрыгивание» не может вызвать заметных пере- мещеннй пыли.

Возможно, что возникновение зарядов приводит к парению частиц вследствие того, что электронный пространственный заряд удерживает положительно заряженные частицы над поверхностью. Это позволит частицам скользить Вниз по склону под действием силы тяжести. Скольжение может прерываться неровностями поверхности и неравномерностью пространственного заряда. Задержка частиц на неровностях будет приводить к выравниванию поверхности и увеличению пути скольжения. Первоначально частицы могут быть подняты в результате «подпрыгивания» или удара микрометеорита. Теоретические расчеты Гранниса показывают, что электростатическое парение и скольжение могут быть важным механизмом переноса частиц на Луне. Такой перенос будет уменьшать количество пыли на возвы-

шенностях и накапливать ее на дне кратеров и в других углублениях.

Уокер и Сингер [46, 48], также исходя из теоретических расчетов, пришли к выводу, что электростатические силы слишком малы, чтобы отделить малые частицы друг от друга и приподнять их. Расчеты показали также, что, хотя удары метеоритов способны поднять частицы над поверхностью, электростатические эффекты могут создать лишь небольшую текучесть частиц.

Кофман [47] не соглашается с Уокером по теоретичен ким соображениям, а Солсбери и Смолли —— на основании проведенных ими экспериментов. Кофман пришел к выводу, что песчинка радиусом 5 мк может приобрести максимальный заряд 7,6-103 СГСЕ. Солсбери и Смолли создавали отрицательный заряд на частицах путем просеивания порошка. Они показали, что отдельные сильно заряженные частицы несут заряд, равный по меньшей мере 104 СГСЕ. По их утверждению, 90% частиц были «менее 17 лю (по- видимому, по диаметру). Порошок сыпался в сверхвысоком вакууме на три стержня, опирающихся на раму из стеклянных трубок. Один стержень был медный н заземленный; второй тоже медный, но изолированный; третий стержень был кварцевый. На заземленном медном стержне было собрано гораздо больше порошка, чем на других. Это указывает на то, что заряд, возникший на двух изолированных стержнях, отталкивал достаточно большую часть падавшего порошка, чтобы предотвратить его накопление на стержнях. Солсбери и Смолли приходят к выводу, что если на Луне под действием излучения возникает заряд сравнимой величины, то должен происходить значительный перенос частиц.

Из сказанного ясно, что вопрос об электростатическом парении как процессе переноса порошков по лунной поверхности остается в высшей степени спорным.

Другой механизм, который был предложен для образования пыли на лунной поверхности,——это вулканическая деятельность. Как уже упоминалось ранее в этой главе, существуют веские доказательства того, что вулканизм на Луне все еще активен. Если лунные вулканические извержения сходны со многими происходящими на Земле гигантскими извержениями, при которых образуются аэрозоли из

Мягмы и вещества, слагающего стенки кратера, то такие извержения могут быть важным источником лунной пыли. Возможно также, что важным источником ее могут быть некоторые типы туфолав и связанные с ннмн извержения, 1^1 которых возникают «палящие тучи». Это же относится <А)льшим рифтовым извержениям, выбрасывающим огром- Я№ количества дыма и лавы. Нет доказательств существова- нкя на Луне в недавнее время мощного или широко распрост- |аненного вулканизма, но в течение геологической истории Луны вулканические извержения могли быть очень важным

источником пыли.

действие может быть довольнодействие может быть довольно^■^^^fl^^ A JD*14_« lYIXy«XW^ 4 худ^л 4 juj ^д^»*» •v— — -»-.———мися у нас сейчас знаниями о современной и прошлой сейсмической активности на Луне оценить его невоз-^■^^^fl^^ A JD*14_« lYIXy«XW^ 4 худ^л 4 juj ^д^»*» •v— — -»-.———мися у нас сейчас знаниями о современной и прошлой сейсмической активности на Луне оценить его невоз-невоз-невоз-Хэммонд [50] указали, что когдаХэммонд [50] указали, что когдаможно.Ноу тон, Барнс иможно.Ноу тон, Барнс исодержащиесясодержащиесяВ нихВ них: В качестве пылеобразующего механизма предлагались также сейсмические волны [49]. Несомненно, при этом появляется некоторое количество пыли, особенно в непосредственных окрестностях разломов. «Лунотрясения», охватывающие обширные районы, могут также вызывать скатывание валунов и оползни в тех местах, где грунт был уже ослаблен или скопился в ходе других процессов. Этот механизм может оказывать лишь малое влияние на большую часть лунной поверхности, однако за миллиарды лет его значительным. С имеющи-

действие может быть довольно

действие может быть довольно

^■^^^fl^^ A JD*14_« lYIXy«XW^ 4 худ^л 4 juj ^д^»*» •v— — -»-.———

мися у нас сейчас знаниями о современной и прошлой сейсмической активности на Луне оценить его невоз-

^■^^^fl^^ A JD*14_« lYIXy«XW^ 4 худ^л 4 juj ^д^»*» •v— — -»-.———

мися у нас сейчас знаниями о современной и прошлой сейсмической активности на Луне оценить его невоз-

невоз-

невоз-

Хэммонд [50] указали, что когда

Хэммонд [50] указали, что когда

можно.

Ноу тон, Барнс и

можно.

Ноу тон, Барнс и

содержащиеся

содержащиеся

В них

В них

горные породы плавятся в вакууме, щелочные металлы возгоняются. Они обнаружили, что когда эти металлы осаждаются в вакууме на куски раздробленных пород или на их шлифы, то при условии, что поступление воздуха в содержащий их контейнер исключено, а температура, равная 100° С, поддерживается в течение двух недель, породы начинают распадаться в порошок. Если выдерживать их при температуре 350° С, то эрозия становится заметной уже за час и полное разрушение пород происходит за 12 час. При этом образуется очень рыхлый, пористый порошок. Ноу тон и др. делают вывод, что если при ударе метеоритов или при лунной вулканической деятельности происходит испарение или плавление лавы, то эрозия под действием щелочных металлов может вызвать в окружа-

ющих районах образование пыли.

СВОЙСТВА ПРЕДПОЛАГАЕМОГО ВЕЩЕСТВАЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Обсуждая вероятную природу лунной поверхности, мы уже рассмотрели некоторые свойства ряда веществ и целых классов веществ, возможно существующих на лунной поверхности. Однако в связи с осуществлением успешной мягкой посадки космических кораблей представляют интерес и другие важные свойства таких веществ. Один из важных вопросов, на который нужно дать ответ при конструировании таких кораблей, состоит в том, нужно ли принимать меры предосторожности и какие, чтобы предотвратить погружение корабля в пыль на лунной поверхности. Даже после осуществления многих мягких посадок останется ряд вопросов о свойствах поверхности, вопросов, требующих лабораторных исследований вещества, находящегося в сверл- высоком вакууме.

Важным свойством порошков, имеющим наибольшее отношение к их способности удерживать на себе тело, является когезия или адгезия между частицами. Термин «когезия» относится к частицам одинакового состава, а термин «адгезия» ——к частицам разного состава.

Когезия и адгезия между двумя частицами возникают вследствие того, что при достаточно тесном сближении частиц между ними появляются силы притяжения. Такие силы, возникающие между отдельными парами частиц, были теоретически и экспериментально исследованы Дерягиным и его сотрудниками [51 ]. При тесном сближении двух частиц в газе или вакууме вандерваальсовы силы притяжения увеличиваются с уменьшением расстояния, а при непосредственном контакте возникают борновские силы отталкивания. Таким образом, при сближении частиц сила притяжения проходит через максимум, величина которого 尸 для когезии определяется уравнением

F — 2寸 ％ (6.8)

где г — радиус частиц, а а — их поверхностное натяжение.

Если частицы находятся во влажном воздухе, они отделены друг от друга жидкой пленкой. Когда они находятся в непосредственном контакте и разделены только этой плен-

крй, молекулярное притяжение N равно

J N = 2dj,2 (6.9) me 6,2 ——поверхностное натяжение на границе раздела частицы и жидкости.

Если рассматривать только молекулярные и ионные электростатические силы, то силовой барьер Р равен

Р = ；(4*—2。)， (6.10)

те 0 = aDikTZe)^тУ Q — коэффициент, зависящий от отношения валентностей двух ионов, D ——диэлектрическая проницаемость, е — заряд электрона, Z ——электронная валентность противоположного иона, S ——межмол екул я р ное расстояние, Vm ——молярный объем, 4 ——постоянная Больцмана. Согласно этому уравнению, прочность порошков обратно пропорциональна радиусу частиц.

В определении свойств текучести порошков силы трения могут иметь столь же большое значение, что и силы когезии и адгезии, если только частицы каким-либо образом не сцементированы друг с другом. Величину этих сил трудно предсказать теоретически, и обычно необходимо обратиться к эксперименту.

Влияние воздуха на текучесть порошков можно качественно продемонстрировать при помощи простого лабораторного эксперимента. Каменный порошок или другой аналогичный материал насыпается слоем в несколько сантиметров в нижние части двух трубок. В трубки кладется по стальному шарику, например от шарикоподшипника. В одной трубке оставляют воздух при атмосферном давлении, из другой воздух выкачивается. После этого трубки герметически закрывают и ставят вертикально, а стальные шарики поднимают в верхнюю часть трубок при помощи магнита. Когда шарик в трубке, содержащей воздух, освобождают, он проваливается в порошок, тогда как шарик в другой трубке едва деформирует поверхность порошка. Этот эксперимент показывает, что космический корабль может погрузиться в пыль на земной поверхности, но в такую же пыль на поверхности Луны он может н не провалиться. С другой стороны, опасно отождествлять условия лабораторного эксперимента с лунными условиями.

Попытка получить количественные данные о влиянии воздуха на текучесть порошков была предпринята Солсбери и др. [26, 52]. Образцы распыленных силикатных пород были насыпаны в вакуумную камеру при давлениях 10~10, 10"9 и 750 мм pm. cm. Породы были отобраны по вероятности их присутствия на лунной поверхности. В их число входили образцы хондрита и тектита, обсидиан, базальт, андезит, дунит и пироксенит. Использовались образцы только со свежими поверхностями. Они измельчались до тех пор, пока диаметры 80% частиц не становились меньше 3 儿к, 90% — меньше 17 мк и 99% — меньше 70 мк.

Вакуумная камера была изготовлена из нержавеющей стали. Механизм насыпания порошков работал при помощи приспособления, действующего по принципу мехов. В камеру можно было помещать платформу, на которой собирались падающие частицы. Ее температура менялась от ——150 до + 600° С при помощи электронагревателя и змеевика с жидким азотом.

Исследование угла естественного откоса производилось следующим образом. Распыленные образцы помещались в сито над платформой, н просеивающий механизм встряхивал сито таким образом, что при одном встряхивании на платформу под ситом высыпался слой толщиной не более чем в одну частицу. В воздухе угол естественного откоса обычно был мал, но когда давление падало до 9-10~10 мм рт. ст., достигались углы естественного откоса, равные 90°, а некоторые порошки даже прилипали к нижней части проволок, протянутых над платформой.

Путем создания вибраций платформы были получены полукол ичественные данные о прочности когезионных и адгезионных связей между отдельными зернами и поверхностью, на которой они покоились. На платформе был укреплен акселерометр. Разрыв связей для базальтового порошка, насыпанного при давлении 10'10 мм рт. ст・，наступал при пиковом ускорении около 105 см/сек^ в направлении толчка и при 5-104 ——7,5-104 см/сек2 в других направлениях. Это соответствует максимальным сдвиговым усилиям между частицей и субстратом 1,4-10'4 дин. Фактическое напряжение сдвига оценить гораздо труднее. Если считать, что силы притяжения действуют только в точке контакта, а части- цы рассматривать как упругие сферы, то напряжение в

точке контакта будет равно 2-108 дин/см2. Если же связи электростатические, то частицы должны вести себя почти так же, как если бы контакт происходил по всей поверхности, обращенной к субстрату. В этом случае напряжение сдвига будет равно примерно 350 дин/см2. Сходные результаты были получены при определении прочности связей по толщине слоя порошка, налипавшего на нижнюю поверх* ность стеклянных, металлических или каменных пластин.

Был проделан ряд экспериментов по выяснению вопроса, действительно ли повышенная когезия в вакууме обусловле- на электростатическими силами. Результаты всех экспериментов показали, что это не так. Возможно, что за когезию в высоком вакууме ответственны вандерваальсовы силы и ковалентные и ионные связи.

Когда магма изливается на поверхность, процесс этот может быть взрывным. Могут возникать палящие тучи или фонтаны лавы. Природа процесса зависит от скорости понижения давления над магмой, содержания газов в ней и ее вязкости. Можно ожидать, что образующиеся продукты будут различными, если магма изливается в атмосферу на поверхность Земли или в почти абсолютный вакуум на лунной поверхности.

Добар и др. [53] исследовали физическую природу «лавы», образующейся при излиянии и затвердевании в вакууме имитации магмы. Во всех экспериментах в качестве модели жидкой (в отличие от газовой) фазы магмы использовались кварцевый песок или флинтглас. Кремнезем плавился в электрической печи при температуре 1500℃и выдерживался в расплавленном состоянии в течение часа до достижения равновесия между расплавом и воздухом. Затем образец помещался под колокол и путем мгновенного открывания вентиля создавалась быстрая декомпрессия до давления 400 мк рт. ст. При декомпрессии образец расширялся с образованием пены и затвердевал.

Внутренняя структура вещества, образующегося из песка, напоминает губку. Стенки пузырьков покрыты маленькими иглами или нитями. Внутренняя структура вещества, образующегося из флинтгласа, практически была такой же. Однако в этом случае поверхность вещества была покрыта стеклянными прядями, напоминающими «волосы Пеле», образуемые лавовыми фонтанами.

Полученные образцы были подвергнуты действию ;-нз- лучения с дозой 4,47-106 рентген. Оно вызвало заметное обесцвечивание. Облученный материал обладал фотометрическими кривыми отражения, аналогичными кривым для лунной поверхности.

Главное значение этих экспериментов с кремнеземом состоит в том, что они подчеркивают необходимость соблюдения осторожности при экстраполировании результатов, полученных с земными материалами, на условия Луны. Эти эксперименты могут быть подвергнуты критике на том основании, что естественная магма содержит большое количество газов, растворенных при высоком давлении. Возможно, что такая магма может расширяться при атмосферном давлении и образовывать вещество, подобное тому, которое было получено Добаром и др. [53] из «магмы», содержавше!! значительно меньше газа и расширявшейся в вакуум.

2 3 4 5 67.

и NUUAG

8.

9.

10.

11.

12.

13.

к

G

R

D

ЛИТЕРАТУРА

1 a s s t о n е S., Sourcebook on the Space Sciences, New York. Van Nostrand, 1965.

г e у H. C., 〃z Physics and Astronomy of the Moon, ed. Z. Kopal, New York, Academic Press, 1962.

dike F., Geri an ds Beitr. Geophys., 41, Heft 1 (1934).

i s e D. U., J. Geophys. Res., 68, 1547 (1963).

г e у H. C., Geochi in. et Cosmochim. Acta, 1, 207, 255 (1951).

1 f v ё n H., Icarus, 1, 357 (1963).

r e e n J., in Proceedings of the Lunar and Planetary Exploration Colloquium, Vol. Ill, № 3, North American Aviation, November, 1963.

hoemaker E. M., in Physics and Astronomy of the Moon, ed. Z. Kopal, New York, Academic Press, 1962. (Русский перевод в сб. «Взрывные кратеры на Земле и планетах, М・，изд-во «Мир», 1968.)

о з ы р е в Н. A., in Physics and Astronomy of the Moon, ed. Z Kopal, New York, Academic Press, 1962.

a u 1 t D. E., Shoemaker E. M., Moore H. J-, Spray Ejected from the Lunar surface bv Meteoroid Impact, NASA TN D-1767, 1963.

a u 1 t D. E., H e i t о w i t E. D., M о о r e H. J., i〃 The Lunar Surface Layer, eds. J. W. Salisbury and P. E- Glaser, New York, Academic Press, 1964.

i 1 t m a n n A., Volcanoes and Their Activity, New York. Interscience, 1962.

о 1 1 f и s A., in Physics and Astronomy of the Moon, ed. Z. Kopal, New York, Academic Press, 1962.

14.

15.

16.

Н а

у о t В.. Conipt. Rend., 179, 1796 (1924).

у о t В., Ann. Obs. Paris, 8, Fasc. 1 (1929).

e с e н к о в В.「.，in Physics and Astronomy of the Moon, ed. Z. Kopal, New York, Academic Press, 1962.

Horn H., J. Geophvs. Res., 68, 4545

Н а А п

p к e B.. (1963). p к e B., d e r s о n

V a it

J. Geophvs. Res., 68, 4571 (1963).

G. S., "M a у e r W. N., Wehner G. K-,

21.

J. Appl. Phys., 33, 2991 (1962).

Wehner G. K・，Kenknight С. E.,.一

D. L., Planet. Space Sci., 11, 885, 14 57 (1963).

Rosenberg D. L., Wehner G. K., J. Geophys. Res.,

Rosenberg

3307 】1964).

E p s t e i n P. S., Phys. Rev., 33, 269 (1929).

—.J a e g e r J. C., Proc. Cambr. Phi】. Soc., 49, 355 (1953).

24. Wessel in к A. J., Bull. Astr. Inst. Netherlands, 10, 356

22.

23.

25.

26.

27・

(1948).

Sinton W. M.. in Physics and Astronomy of the Moon, ed. Z. Kopal, New York, Academic Press, 1962.

Salisbury J. W-, Glaser P. E. (eds.). Studies of the Characteristics of Probable Lunar Surface Materials, Air Force Cambridge Reserach Laboratories, Bedford, Mass.,

S

AFCRL-64-970, January, 19 64..

ni о 1 u c h о w s к i M., Bull. Acad. Sci. Cracovie. A129

28.

29.

30.

31.

32.

33.

(1910); A548 (1911).

i b b s A. R., Icarus, 2, 181 (1963).

Astrophys. J., 64, 326 (1959).

Astrophys. J., 123, 325 (1956).

Proc. I. R・ E・,46, 280 (1958).

oates R. J•,

i n t о n W. M.,

34.

P

i b s о n J. E., i b s о n J. £♦, i с к e R. Н.» (1946).

Astrophys. J., 135, 175 (1962).

В e r i n g e r R., Astrophys. J-, 1°3, 275

J. H., M i n n e t t H. C.,

Austral. J.

i d d i n g t о n Sci. Res., A2, 63 (1949).

i r a li d A., Astrophys. J., 135, 175 (1962). арке В., J. Geophys. Res., 69, 1147 (1964). e h r e 1 s T., Icarus. 3, 491 (1964). opal Z., in The Lunar Surface Layer, eds. J.

and P. E. Glaser, New York, Academic Press, i»u**.

а и 1 t D. E., H e i t о w i t E. D., in Proc, of the 6th Hypervelocity Impact Svmposium, Cleveland, Ohio, April 30, May 1—2, 1963.”

.у a n J. A., J. Geophys. Res., 67, 2549 (1962).

Salisbury J. W., Smalley V. G., in The Lunar Surface Layer, eds. J. W. Salisbury and P. E. Glaser, New York, Academic Press, 1964.

Fisher D. E., J. Geophys. Res., 66, 1509 (1961).

Whipple F. L., Fireman E. L., Nature, 183, 1315

35.

36.

37.

38.

39.

40.

G

R

W- Salisbury

1964

发師必fl器D："j.竄P舐噴爲嶼9黑J措5).

46.47.48.49.50.51.46.47.48.49.50.51.52.53.52.53.с s G Nс s G NддSS69, 56669, 566(1962).D. A.,Chemi- p n и H Б. В., (1956); Б. В.,В. А.,J. Р.,(1962).D. A.,Chemi- p n и H Б. В., (1956); Б. В.,В. А.,J. Р.,

46.

47.

48.

49.

50.

51.

46.

47.

48.

49.

50.

51.

52.

53.

52.

53.

с s G N

с s G N

д

д

S

S

69, 566

69, 566

(1962).

D. A.,

Chemi- p n и H Б. В., (1956); Б. В.,

В. А.,

J. Р.,

(1962).

D. A.,

Chemi- p n и H Б. В., (1956); Б. В.,

В. А.,

J. Р.,

Walker E. H., J. Geophys. Res., 67, 2586 (1962);

о f f m a n M. L,, J. Geophys. Res., 68, 1565 (1963).

i n g e г S. F., Walker E. Н.» Icarus, 1, 1J2 i 1 v a г г у J. J., Nature, 180, 911 (1957).

aughton J. J., Barnes 1. L., Hammond Science, 149, 630 (1965).

e p я г и н Б. В., in Powders in Industry, Society of cal Industry, Monograph № 14, London, 1961; H e С. В., Дерягин Б. В., ibid; Дерягин А б p и к о с о в а И. И., Quart. Rev., 10, 295 Disc. Faraday Soc., 18, 24, (1954); Дерягин Scientific Amer. (July, I960).

a 1 i s b u г у J. W., Glaser P. E., Stein Vonnegut B., J. Geophys. Res., 69, 235 (1964).

о b a r W. I., Tiffany O. L., Gnaedingei Icarus, 3, 323 (1964).

ПЛАНЕТЫ, КОМЕТЫ И ГАЛАКТИЧЕСКАЯ ПЫЛЬ

МАРС

1 Среди всех планет солнечной системы, не считая самой 京 Земли, Марс, вероятно, представляет наибольший интерес, ■Г по крайней мере для широкой публики. Для этого есть несколько причин, в том числе его близость к Земле, тот факт, что его твердую поверхность можно наблюдать с Земли, и возможность того, что на Марсе существует какого-то рода жизнь.

Орбита Марса лежит вне орбиты Земли. Вследствие этого большая часть или вся поверхность обращенной к Земле стороны его всегда освещена Солнцем. Марс с Земли виден только в двух фазах: в полной фазе в противостоянии и слегка ущербленным близ квадратур.

По сравнению с орбитами других планет орбита Марса имеет значител ьный эксцентриситет. Среднее расстояниеМар- са от Солнца равно 277 700 000 км; при наибольшем сближении с Землей он удален от нее примерно на 56 000 000 км. Марсианские солнечные сутки равны 24 час 39,5 мин, т. е. почти равны земным. Наклонение марсианского экватора к плоскости орбиты равно примерно 25°, что близко к 23°,5 для Земли. Вследствие этого времена года на Марсе сходны с временами года на Земле. Однако, поскольку сидерический год Марса равен 687 земным суткам, марсианские времена года длиннее наших. Кроме того, вследствие эксцентричности орбиты марсианские времена года имеют неравную продолжительность. Весна и лето короче и теплее в южном полушарии, чем в северном, а осень и зима— длиннее и холоднее [1]・

Температура поверхности Марса была определена по его инфракрасному излучению. Максимальная температура поверхности на экваторе равна в среднем 22° С, а минимальная —около —70° С. Таким образом, суточные колебания температуры по сравнению с нашими очень велики.

Существует, конечно, и значительное изменение температуры с широтой.

Главными деталями на поверхности Марса являются полярные шапки, светлые области, темные области и каналы (рис. 40). Обычно считается, что полярные шапки состоят из мелких ледяных кристаллов, подобных кристаллам

Рис. 40. Марс. Фото а — в получены в красных лучах; заметно вращение планеты; фото а — в синих лучах.

инея. Таким образом, эти области на Марсе заняты частицами. Шапки наиболее велики во время марсианской зимы и постепенно уменьшаются в размерах в течение весны и лета. Температура полярных областей, вероятно, всегда ниже —32° С, и ледяные кристаллы, по-видимому, образуются и испаряются путем сублимации без перехода в промежуточную жидкую фазу. Весной сначала испаряется внешний край шапок, и примерно в середине весны вдоль него образуется темная кайма, которая в северном полушарии имеет темно-синюю окраску [1 ]. Эта кайма исчезает с наступлением лета. Возможно, что это участки грунта, которые достаточно теплы, чтобы аккумулировать воду.

Светлые области, вероятно, являются пустынями. Они имеют красноватый цвет н занимают почти 3/4 поверхности Марса. Они ответственны за красноватый цвет планеты, наблюдаемый невооруженным глазом. Было сделано два предположения о природе красноватого вещества: 1) это лимонит Qf^Os。ЗН2О и 2) это риолит ——лава, богатая кремнеземом.

Темные области, подобно темным областям Луны, называются морями, хотя они не содержат воды. Они расположены в основном в экваториальных областях и подвержены сезонным изменениям глубины цвета. В течение зимы они почти равномерно серые, но весной они начинают темнеть у полюсов, притом потемнение постепенно распространяется к экватору. По одной из гипотез это потемнение вызвано растительностью, подобной лишайникам. Такая растительность в сухое время находится в состоянии анабиоза, но оживает и начинает расти, когда содержание влаги в воздухе увеличивается. Согласно этой гипотезе, испарение ледяных кристаллов в полярных шапках поставляет воду, вызывающую возобновление роста.

Поляризация темных областей также меняется со временем года. Для определенных времен года на Марсе получены кривые поляризации в функции угла фазы. С изменением времени года общая форма кривой сохраняется, но степень поляризации меняется. Это можно объяснить тем, что темные области покрыты маленькими непрозрачными частицами диаметром около 100 мк, которые со временем года меняют свои размеры или поглощательную способность. Возможно, что это живые организмы или неживые частицы, которые меняют свой размер или яркость с изменением содержания влаги в воздухе.

Так называемые каналы представляют собой еле уловимые детали, наблюдающиеся лучше всего визуально, а не фотографически, при помощи телескопов с высокой разрешающей силой, когда условия наблюдения исключительно хороши. Протяженные темные детали, по-видимому, действительно существуют на поверхности Марса, но они слишком широки, чтобы быть похожими на какие-либо земные каналы. Есть некоторые указания на то, что они не являются непрерывными: кажущаяся их непрерывность возникает из-за недостаточного разрешения. Космический корабль «Маринер-4» получил фотографии марсианской поверхности,

Рис. 41. Модель космического зонда «Маринер-4».

в том числе и тех ее участков, на которых ранее изображались каналы (рис. 41 н 42). На них не заметно и следов этих образований. Однако вид каналов со временем меняется.

Основными деталями, заметными на снимках «Маринера-4», оказались кратеры (рис. 42). Лейтон и др. 12 ] истолковали сходство внешнего вида поверхностей Луны и Марса как указание на то, что видимая поверхность Марса очень древняя и возраст ее, вероятно, равен 2——5 млрд. лет. Если поверхность настолько стара, то отсутствие видимых следов рек и океанов и, по-видимому, малая степень происходив-

Рис. 42. Фото графическое изображение поверхности Марса, переданное космическим *зондом «Маринер-4» с расстояния 12500 км. Север наверху. Площадь, охватываемая снимком: в направлении восток—запад 270 клс, в направлении север—юг 240 км. Область Атлантис, между морем Сирен и Киммерийским морем.

шей на Марсе эрозии говорят о том, что Марс со времени формирования его поверхности не имел плотной атмосферы или воды в количестве, достаточном для образования океанов и рек. Ряд исследователей полагают, что видимая по- 、 верхность Марса должна быть много моложе, чем считает ： Лейтон, и возраст ее, вероятно, равен 300—800 млн. лет .[3—5L Этот вывод основывается на том, что скорость кра-

терообразования на Марсе была много больше, чем на Луне, £ и на том, что плотность кратеров на Марсе слишком мала ： для того, чтобы поверхность Марса была «первичной». J. Если это так, то по фотографиям «Маринера-4» нельзя ； сделать никаких выводов об условиях, господствовавших 扌 на Марсе в ранний период его истории.

* Марсианская атмосфера значительно менее плотна, чем

земная. До полета космического корабля «Маринер-4» считалось, что давление у марсианской поверхности составляет 10—20 мбар, тогда как у земной поверхности оно равно 1000 мбар. Однако данные, полученные《；Мн- ринером-4», показывают, что давление марсианской атмосферы должно быть равно 4—7 мбар* [6].

Единственными веществами, уверенно отождествленны- ми в марсианской атмосфере, являются углекислый газ |7, 8] и водяной пар [9]. Спектроскопические данные показывают, что кислорода в ней мало (менее 250 см-атм)*^. Количество водяного пара, вероятно, равно 5——40 мк (осажденной воды) [9 ——111. Установлены очень низкие верхние пределы содержания О3, N2O, СН4, С2Н4, С2Н6, NH3, NO2 и N2O4. Если атмосферное давление у марсианской поверхности настолько мало, как это показывают результаты «Маринера-4», то атмосфера Марса должна почти полностью состоять из углекислого газа. На основании теоретических соображений ожидается также присутствие азота и аргона.

Согласно существующим оценкам, марсианская тропопауза*** находится на высоте от 10 до 40 км над поверхностью планеты. Таким образом, частицы в марснанскоП атмосфере должны в основном располагаться ниже этих высот, так же как и в земной атмосфере.

Мелкие частицы в атмосфере Марса образуют облака, которые обнаруживаются по ухудшению видимости деталей на поверхности планеты. Они изучались визуальными, фотографическими и пол я р иметр ически ми способами. Было установлено существование нескольких типов облаков. Они обычно обозначаются по цвету фильтра, через который они видны лучше всего. Это «белые», «синие», «желтые» облака и «фиолетовая дымка».

По уточненным данным, 5——9 мбар, однако есть основания полагать, что это всего лишь нижний предел давления.—— Прим,, перев.

* По Каплану, Мюнху и Спинраду, верхний предел содержания еще меньше: 70 см • атм. — Прим, перев.

** Эти оценки получены Гессом, исходившим из ошибочных представлений об аналогии между строением атмосфер Земли и Марса. На самом деле отсутствие в атмосфере Марса паров воды приводит к тому, что на Марсе нет тропосферы и тропопаузы в обычном смысле слова. Существует лишь узкий близповерхностный слои (3—5 кл1), в котором турбулентность создается адвекцией, затуханием с высотой суточной амплитуды температур и другими вторичными эффектами. — Прим, перев.

釜 Белые облака, рассеивающие свет всех длин волн, глючают в себя очень плотные облака, которые могут Иьггь столь высокими и протяженными, что простираются 输 пределы терминатора подобно солнечным протуберан- ,и очень тонкие туманы, которые едва можно разлн- '爭нть [12]. Поляризация света у всех таких облаков сход- фая, и природа их, по-видимому, одинакова. Различаются 纵н лишь по оптической плотности. Кривые степени поля- 淞зацнн в функции угла рассеяния для облаков в эквато- «яальных районах и в средних широтах по форме заметно Отличаются от кривых для облаков водяных капель, но Похожи на кривые для облаков ледяных кристаллов, .^ольфюс [12] поэтому приходит к выводу, что белые обла- *а состоят из ледяных кристаллов, подобно перистым Елакам в земной атмосфере. Воды на Марсе достаточно, .чтобы образовались заметные шапки из льда (инея?) и Облачность, но недостаточно, чтобы создать обширные ледя- 加е поля, существующие на Земле. Если эти облака аналогичны земным, то диаметры частиц находятся в интервале i—60 мк, что согласуется с поляризационными данными.

Наблюдалось несколько типов белых облаков [13]. Облака иногда появляются в виде огромных образований, которые могут простираться на 2000 км и существовать в течение нескольких недель. Они могут перемещаться ветром. Дольфюс сообщает о скоростях ветра до 35 км/час. Облака могут также быть маленькими и изолированными и оставаться примерно на одном и том же месте. Возмож- но, они возникают в результате процесса, аналогичного тому, который создает облачные шапки над горами или дождевые облака над высокими тропическими островами. Прочие облака наблюдаются близ лимба Марса в противостоянии и могут состоять из ледяных кристаллов, образующихся в результате радиационного охлаждения.

Нельзя исключить возможность того, что белые облака иногда или всегда состоят из углекислого газа. При 760 мм рт. ст. углекислый газ сублимирует примерно при температуре 195° К. Конденсируется ли он в атмосфере Марса, зависит от характера изменения давления н температуры с высотой в атмосфере. И то и другое нз- вестно не очень хорошо, особенно характер изменения температуры.

Белые облака, по-видимому, образуются в областях атмосферы, где температуры особенно низки. Часто они видны близ утреннего и вечернего терминаторов. В первом случае они исчезают, когда атмосфера становится более теплой. Гласстон [1] утверждает, что облака, наблюдаемые близ вечернего терминатора, несколько больше и ярче, чем у утреннего, и что они могут появляться вновь на следующий день над теми же самыми участками поверхности, особенно над районами пустынь. Такие обла- ка появляются также над полярными шапками, особенно осенью и зимой. Белые облака иногда возникают менее чем за 24 час и остаются в течение более чем двух недель [17].

Синие облака наблюдаются через темно-синий свето- фильтр. Они всегда существуют марсианским утром и ве- чером, но днем исчезают. Иногда они связаны с белыми облаками. Эти облака, по-видимому, выше белых и, возможно, сходны с перламутровыми обпакамн в земной полярной атмосфере. Диаметры частиц, вероятно, менее нескольких микронов и, возможно, по порядку величины равны 0,1—1 мк. Облака, наблюдаемые в более коротковолновой части спектра, близ 4500 А, часто называются синей или фиолетовой дымкой или слоем (см. рис. 40). Плотность их резко увеличивается с уменьшением длины волны от 6000 до 4500 А. Было высказано предположение, что дымка образуется солнечными протонами. Саган [141 утверждает, что для молекулярной ионизации, достаточной для создания наблюдаемой непрозрачности, поток протонов на Марсе должен превышать 10” сл^ст, а напряженность межпланетного магнитного поля должна быть менее КГ-8 ас. По-видимому, маловероятно, чтобы эти требования выполнялись. Дольфюс полагает, что синяя мгла аналогична земным серебристым облакам, н。 она более плотная и возникает чаще. Согласно другим предположениям, она состоит из сухого льда (твердого углекислого газа) или углерода.

Синяя дымка иногда рассеивается, н становятся видимыми детали поверхности. Прояснения обычно наблюдаются во время благоприятных противостояний, хотя и не всегда [15]. Случаются также и местные прояснения [7|.

Палм и Базу [16] объясняли прояснения синей дымки. исходя из предположения, что дымка образуется в

результате накопления в марсианской атмосфере микро- jfereopHbix тел. Это предположение основывается на гипо- ~е Линка [17] о том, что Земля, Марс и Венера, вероятно, (Обладают микрометеорным слоем в верхней атмосфере. Эта гипотеза была подкреплена данными, полученными 氏ушкой и Швесткой [18] во время ряда лунных затмений, Йоторые показывают, что размеры земной тени превышают Теоретические примерно на 2%. Палм и Базу исследовали Йвисимость степени прояснения синей дымки от числа Кгеорных потоков, пересекающих орбиту Марса (через то-градусные интервалы гелиоцентрической долготы). Обна- ^ужилась небольшая, но статистически значимая отрицательная корреляция между степенью прояснений и актив^ ■костью метеорных потоков. Согласно их теории, ни ло・ Дальние, ни глобальные прояснения не образуют четкой тоследовательности во времени, так как интенсивность метеорных потоков испытывает изменения со временем и Ьёстом и в синюю дымку могут вносить свой вклад также и частицы астероидального происхождения.

Эванс [19] описал спектрограмму Марса в ультрафиолетовой области 2400——3500 Д, полученную при помощи спектрографа с объективной решеткой, установленного на ракете «Аэроби». Он построил основанную на полученных им данных модель, согласно которой вид планеты через фильтры различного цвета можно объяснить, не предпо- лагая наличия в атмосфере веществ, поглощающих в синей и ультрафиолетовой части спектра. Вид фотографических изображений планеты, полученных через синий фильтр, он объясняет вместо этого уменьшением контраста поверхности и отражательной способности. Эванс полага- "ет, что синие прояснения действительно вызваны исчезновением облаков или дымки, но она должна быть очень разреженной, ибо полная отражательная способность Марса в области спектра 3000—4000 А равна лишь 0,04.

Гесс [20] подсчитал, что если синие прояснения вызываются оседанием частиц, то частицы должны иметь диаметр по меньшей мере 10 мк. Если синяя дымка образуется только в результате рассеяния вперед, частицы не могут быть столь велики. Однако если она возникает вследствие совместного действия поглощения и рассеяния, то части- t цы вполне могут иметь такие размеры.

Если синяя дымка состоит из кристаллов льда или углекислоты, изменения в состоянии атмосферы могут вызвать испарение кристаллов и, как следствие, прояснение дымки. Такие кристаллы могут образовываться на ядрах сублимации, например на частицах углерода. Уменьшение температуры среды может вызвать рост кристаллов до такого размера, что частицы будут оседать и возникнет прояснение.

Другим свойством изображений Марса в синих лучах является то, что яркость их увеличивается с расстоянием от центра к лимбу. Однородный тонкий поглощающий слой вызвал бы потемнение к лимбу, а не повышение яркости. Однако дымка может быть неоднородной и ее непрозрачность может быть обусловлена как рассеянием, так и поглощением света.

Желтые облака — это облака на небольшой высоте, почти наверняка состоящие из тонкой пыли пустынь, поднятой ветрами. Такие пылевые бури довольно редки и обычно происходят в период весны в южном полушарии. При одной и той же скорости ветра размеры поднимаемых в воздух частиц на Марсе, вероятно, меньше, чем в земной атмосфере. Когда скорость ветра падает, частицы одного и того же размера и плотности в марсианской атмосфере оседают быстрее, чем в земной. По имеющимся оценкам [131, при марсианских давлении и силе тяжести одна и та же сферическая частица будет падать в 3,8 раза быстрее, чем в земной атмосфере. Этот результат получен в предположении более плотной атмосферы, чем та, которую принимают сейчас. Таким образом, частицы марсианской атмосферной пыли, вероятно, мельче, чем пылевые частицы в нашей атмосфере.

Временами желтые облака, по-видимому, создают желтые отложения на темных областях, но через короткое время они вновь обретают темную окраску. Одно из объяснений состоит в том, что темное вещество представляет

* Прн давлении атмосферы г 10——20 мбар время оседания частиц с высоты 5 км (характерной высоты желтых облаков) равно： для частиц диаметром ~ 100 мк ——несколько часов, для 50 мк 一 около суток, для 20 мк — 5 суток, для 10 мк — 2 недели, для 5 мк -- 1,5 месяца. Таким образом, кратковременные пылевые бури создаются частицами диаметром в десятки мку а длительные помутнения- тончайшей пылью размером в несколько мк. — Прим, перев.

собою растительность, которая покрывается желтой пылью, переносимой пылевыми бурями. Прорастание растительности через пыль восстанавливает темный цвет.

ВЕНЕРА

Венера ——ближайшая к Земле планета; по размерам и расстоянию от Солнца она является почти двойником Земли. Ее поверхность, по-внднмому, всегда закрыта плотными двЛаками, так что о природе Венеры мы знаем гораздо мёйьше, чем о природе другого ближайшего нашего сосе- 雄 一 Марса. Из-за облаков альбедо Венеры очень велн- К—она отражает около 59% света, падающего на ее поверхность. Альбедо Луны, напротив, равно только 7%. Вследствие высокого альбедо и близости к нам Вейера является самым ярким природным объектом на небе после Луны и Солнца. Она настолько ярка, что иногда отбрасывает тени и временами может быть видна днем.

Атмосфера Венеры, вероятно, содержит примерно в 100 раз больше азота, чем земная атмосфера, и очень мало водяного пара. Камерон [21] считает, что атмосферы обеих планет имеют совершенно различное происхождение и что большая часть атмосферы Венеры является остатком первичной солнечной туманности. Атмосфера содержит также большое количество углекислого газа, но очень мало кислорода. Койпер [22] получил спектр Венеры в ближней инфракрасной области 1——2,5 мк и нашел в нем около 40 полос поглощения. Все они образованы углекислым газом. Эти результаты показывают, что количество углекислого газа в атмосфере Венеры равно примерно 2 км-атм, но количество это меняется от одного участка планеты к другому. Койпер получил также, что количество окиси углерода не превышает 3 см-атм*.

Наблюдения Венеры несколько осложняются тем, что орбита ее расположена внутри орбиты Земли. Когда Венера ближе всего к Земле, большая часть ее освещенной

9—1275

стороны закрыта от нас и она выглядит полумесяцем. На облачной поверхности Венеры наблюдаются неоднородности, однако они с трудом различимы вследствие низкого контраста и наличия градиента яркости между лимбом и терминатором [13]. На планете наблюдаются детали двух видов: а) области слегка повышенной яркости н б) потемнения вдоль яркого лимба, которые Дольфюс считает физиологическими эффектами, вызванными проекцией яркого серпа на темный фон. Дольфюс интерпретирует наблюдения следующим образом: мы видим нижний слой, который может быть поверхностью планеты или облачным слоем, каким-то образом связанным с поверхностью. Над этим слоем находятся большие дискретные облака, которые либо перемещаются, либо то появляются, то исчезают.

Облака имеют желтоватую окраску. Этот факт наряду с низким содержанием воды в атмосфере привел к получившей широкое распространение гипотезе о том, что они являются пылевыми облаками, поднятыми сильными ветрами, которые дуют над иссушенной поверхностью планеты. Однако относительно состава облаков было высказано много и других предположений, в том числе о водяных каплях, кристаллическом аммиаке, полимерах формальдегида, хлористом натрии. Водяная гипотеза впервые была предложена Лио [23], который сравнил кривую степени поляризации света, отраженного Венерой, в функции угла рассеяния с аналогичными кривыми для водяных капель. Лио полагает, что диаметры капель равны примерно 2,5 мк. Койпер выдвинул пылевую гипотезу и предположил, что частицы должны быть диаметром не меньше 20 九к, так как временами наблюдается очень быстрое оседание облаков. Мензел и Уиппл [24] критиковал» пылевую гипотезу и привели аргументы в пользу теории водяных капель. Они предположили также, что поверхность Венеры покрыта водяным океаном. Это кажется крайне маловероятным, так как температура поверхности велика (около 600° К).

Деирменджян [25] проанализировал результаты измерений яркости Венеры в микроволновом диапазоне в свете недавних теоретических исследований рассеяния и поглощения излучения типичными земными облаками и осадками. Он утверждает, что имеющиеся данные не

исключают присутствия в нижней атаосфере Венеры больших количеств водяного пара и что распределение микроволновой яркости в миллиметровом и сантиметровом диапазонах можно объяснить глобальной, непрерывной и толстой пеленой водяных облаков. Он оценивает количество воды в ней в 10 Nс储.

В инфракрасной области 0、= 8—13 мк) у Венеры наблюдается потемнение к лимбу. Поллак и Саган [26] выделяют три основные категории моделей, объясняющих это потемнение. В модели А потемнение связывается с температурным градиентом в неизвестном поглощающем веществе над верхним уровнем облаков. По модели В потемнение вызывается совместным действием температурного градиента и зависимостью излучательной способности от угла в облаках с многократным рассеянием. По модели С в облаках происходит когерентное перераспределение приходящего снизу излучения. Можно уверенно отвергнуть только модель С.

Температура поверхности Венеры была определена по измерениям микроволнового излучения поверхности планеты. Эта температура значительно выше равновесной температуры черного тела, которая при альбедо 0,76 равна 229° К [27]. Для высоких температур поверхности было предложено несколько объяснений. Одно из них основывается на «тепличном эффекте». Стеклянная крыша теплицы прозрачна для видимого света, который поглощается полом и другими предметами в теплице. Это повышает температуру предметов и увеличивает интенсивность их излучения в инфракрасной области. Инфракрасное излучение уйти не может, так как стекло для него непрозрачно. Результатом является желаемое общее повышение температуры внутри теплицы. Роль стекла в атмосфере Венеры играют углекислый газ, водяной пар и, вероятно, облака.

Эпик [28] отвергает гипотезу о тепличном эффекте. Он считает, что атмосфера ниже видимых облаков суха и запылена и движение ее поддерживается ветрами над облачным слоем. По этой модели, которую Эпик называет

эолосферной, поверхность теряет в виде излучения мало тепла, поскольку взвешенная пыль образует почти непрозрачный экран, пропускающий только электромагнитное излучение с длиной волны более 〜3 см. Ветры поддерживают пыль во взвешенном состоянии. Пыль эта чрезвычайно тонка вследствие взаимного трения частиц на протяжении миллионов лет.

Трудности этой модели были рассмотрены Келлогом и Саганом [7]. Например, Эпик считает, что карбонаты кальция и магния, имеющие нужные оптические свойства, являются главными составляющими пыли. Сомнительно, однако, чтобы карбонаты могли образовываться в отсутствие жидкой воды. Эта модель находится также в противоречии с описанной выше точкой зрения Деирменджяна о роли, которую играет слой водяных облаков.

Третьей гипотезой о строении атмосферы Венеры является ионосферная модель, предложенная Саганом, Зигелем и Джонсом [29, 30]. По этой модели ионосфера имеет очень высокую электронную концентрацию и, следовательно, непрозрачна для длинных радиоволн, но прозрачна для коротких. Высокая температура, измеренная по сантиметровому излучению, относится к ионосфере, а температура поверхности много ниже и равна примерно 300° К. Таким образом, температура поверхности Венеры сравнима с температурой Земли, и на поверхности может накапливаться жидкая вода.

Для такой ионосферы необходима электронная концентрация порядка 109—1010 ои~з. Очень маловероятно, однако, что она превышает 108 см~з*.

«Маринер-2», прошедший в 1962 г. на расстоянии 34 800 км от Венеры, нес на себе оборудование, позволившее сделать выбор между тепличной и эолосферной моделями, с одной стороны, и ионосферной моделью ——с другой. Сантиметровое радиоизлучение, возникающее на поверхности планеты, даст потемнение к лимбу, так как излучение, возникшее близ видимого края (лимба) планеты, должно пройти через большую толщу холодной атмосферы

н испытать большее поглощение, чем излучение, возникшее близ центра планетного диска. С другой стороны, излучение, возникающее в ионосфере, даст повышение яркости к лимбу, так как излучение от лимба будет возникать в большей толще ионосферы, чем излучение от центра диска. На «Маринере-2» находился направленный микроволновой радиометр, сканировавший поверхность Венеры и измерявший излучение на волне 1,9 с%. Было обнаружено потемнение к лимбу, что убедительно говорит о том, что ионосферная модель не соответствует действительности.

Другой эксперимент, проведенный при помощи «Маринер а-2», возможно имеющий значение для выяснения природы частиц в атмосфере Венеры, заключался в измерении интенсивности излучения на длине волны 1,35 см в области, где поглощает водяной пар. Эта интенсивность сравнивалась с интенсивностью излучения на длине волны 1,9 см. Различие было очень невелико, что указывает на крайне малое количество водяного пара в атмосфере Венеры, по-видимому, около 10~3 количества его в земной атмосфере [1].

В июне 1964 г. Венера прошла нижнее соединение и 19 июня находилась лишь немногим дальше 2° от Солнца. Освещенное Солнцем полушарие Венеры почти полностью было скрыто от наших глаз, и видимая часть имела форму серпа, напоминающего молодую Луну. Вопреки ожиданиям, этот серп не имел формы полукруга, а охватывал почти полный круг [31]. Это было приписано рассеянию солнечного света очень тонкой пылью в верхней атмосфере Венеры, находящейся выше обычного облачного слоя. Вероятно, диаметры частиц большей частью не превышают 2 мк н нх концентрация быстро уменьшается с уменьшением высоты над облачным слоем.

МЕРКУРИЙ

Меркурий ——это ближайшая к Солнцу планета и единственная в своем роде в том отношении, что ее период обращения вокруг Солнца и период вращения вокруг собственной оси, по-видимому, одинаковы и равны 88 суткам.

Вероятно, Меркурий некогда имел период вращения меньший, чем период обращения вокруг Солнца, но приливы замедляли осевое вращение, пока оба периода не совпали. Так как орбита Меркурия сильно эллиптична, около 3/8 поверхности планеты постоянно обращено к Солнцу, 3/8— от Солнца, а на остальной 】/《день и ночь одинаковой длительности и равны 44 суткам.

Райс [32] указал, что ситуация на Меркурии, лишенном атмосферы, если периоды орбитального и осевого вращений практически совпадают, должна сильно отличаться от ситуации, при которой оба периода совпадают не вполне точно. Рассмотрим сначала первый случай. Горячая сторона всегда будет иметь температуру около 400° С, а холодная сторона —— близ абсолютного нуля. По-видимому, на поверхности горячей стороны или в близповерхностном слое не могут существовать никакие соединения. Поверхность, вероятно, покрыта слоем пыли, состоящей из таких нелетучих элементов, как кремний, алюминий, железо, кальций, магний и углерод. Очень легкие элшенты, например большинство газов земной атмосферы, будут ускользать в межпланетное пространство, тогда как элементы со средней летучестью будут перегоняться на холодную сторону Меркурия и там вымерзать.

Райс указывает, что во втором случае (если разница в периодах невелика) каждая точка поверхности будет попеременно нагреваться примерно до 400° С и охлаждаться до очень низких температур. Элементы средней летучести будут непрерывно перегоняться вокруг планеты. Удары метеорных тел о холодную сторону планеты будут вызывать локальное нагревание, что в свою очередь может привести к химическим реакциям. Могут образовываться свободные радикалы и различные стабильные соединения, которые тотчас же будут замерзать. Этот процесс, согласно Райсу, будет приводить к образованию вокруг планеты пояса интенсивной химической активности.

Возможно, что Меркурий имеет очень тонкую атмосферу. Давление у поверхности не может превышать нескольких мм рт.ст., так как во время прохождения Меркурия по диску Солнца не наблюдается сколько-нибудь значительной рефракции света. Чтобы не происходило конденсации атмосферных газов, температура темной сто-

роны Меркурия должна превышать 100° К. Измерения температуры по микроволновому излучению показывают, что температуры ночной стороны могут превосходить это значение [33]. Козырев [34] сообщил о результатах своих спектроскопических измерений, указывающих на наличие на Меркурии водородной атмосферы плотностью около 1016 частиц/см3. Он полагает, что потоки солнечных протонов возмещают водород, ускользающий в космическое пространство.

ЮПИТЕР И ДРУГИЕ ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ

Юпитер — это крупнейшая из всех планет; ее масса почти в 2,5 раза больше массы всех остальных планет вместе взятых. Его среднее расстояние от Солнца равно 778 млн. км, но из-за эксцентриситета орбиты его расстояние меняется от 740 до 817 млн. км.

Наклонение экватора Юпитера к плоскости орбиты очень мало. Пик [35] оценивает его в 3°,07, а Гласстон [1] — в Г,03. Следовательно, сезонные эффекты должны быть малы, н они действительно не наблюдались. Длина года Юпитера равна 11,86 земных лет. Период вращения его составляет примерно 9 час 55 мин. Так как орбиты Юпитера и других планет-гигантов (Сатурна, Урана и Нептуна) лежат вне земной орбиты, эти планеты видны только в полной фазе или слегка на ущербе.

Поверхность Юпитера всегда закрыта облаками, но на поверхности облачного слоя виден ряд необычных деталей (рис. 43). Наиболее характерными среди них являются пояса, параллельные экватору, и большое Красное пятно. Эти детали используются для определения скорости вращения планеты. Следует заметить, однако, что Красное пятно вращается со скоростью, не совпадающей точно со скоростью вращения твердой поверхности. Иногда оно отстает, а иногда уходит вперед.

Светлоокрашенные желтоватые пояса называются зонами, а темные — полосами. Это достаточно постоянные

детали поверхности, настолько постоянные, что главные из них получили названия, например: Экваториальная полоса, Южная умеренная зона и т. д. Яркости полос и зон и неоднородности в них заметно меняются со временем. Красное пятно также нерегулярно меняется и иногда почти исчезает.

Рис. 43. Юпитер. Снимок в синих лучах, полученный на 5-метровом телескопе. Видно Красное пятно.

Согласно Эпику [36], атмосфера' Юпитера имеет следующий состав:

ГазНеН2NeСН4ArNH3

Молярный%97,22,30,390,0630,0420,0029

Эпик считает, что и с наблюдениями, и с теорией согласуется только модель внутреннего строения Юпитера, по которой планета состоит из твердых водорода и гелия. Эпик показал, что накопление водорода в ядре такой планеты можно объяснить дифференциацией посредством конденсации во время образования Юпитера, в частности выпадением «водородного снега». В атмосфере Юпитера, вероятно, есть также следы воды. Количества аммиака и воды в атмосфере, вероятно, ограничены давлениями их паров при господствующих здесь температурах. Тем-

пература у верхней границы облаков оценивается в 140— 200° К.

Спинрад и Трефтон [37] по полученным ими спектро граммам с высокой дисперсией несколько иначе, чем Эпик, оценивают отношение Н/Не:

Газ Не На Ne СН4

Молярный % 60 36 3 1

Здесь, конечно, не учитываются малые концентрации аммиака, который наряду с метаном спектроскопически отождествлен в атмосфере Юпитера.

Метан и аммиак сильно поглощают ультрафиолетовое излучение: их спектры поглощения непрерывны или состоят из размытых полос. Следовательно, эти соединения должны подвергаться фотолизу с образованием свободных радикалов. Эти свободные радикалы и продукты их реакций могут быть ответственны за некоторые характерные особенности атмосферы Юпитера. Юри и Брюер [38] полагают, что флуоресценция ионов и свободных радикалов, таких, как NH2, N2+» CN, СН2, СН+, СН и С2, под действием ультрафиолетового излучения вносит свой вклад в яркость Юпитера и что колебания потока ультрафиолетового излучения Солнца могут быть ответственны за колебания яркости Юпитера в течение цикла солнечной активности. У облаков Юпитера часто наблюдаются различные окраски, и Райс [39] предполагает, что голубая окраска возникает в результате конденсации радикала NH，а желтая образована конденсированным радикалом NH2NH. Юри [40J предположил, что в ходе реакций между свободными радикалами образуются устойчивые окрашенные химические соединения. Он считает, что возможными составляющими облаков Юпитера являются диазометан, азометан, полимер ацетилена — купрен (все желтые) и тетразин (красный).

Облака Юпитера, вероятно, состоят в основном из кристаллов аммиака. Однако в них могут находиться также и частицы, состоящие из органических соединений, кроме тех, которые упомянуты выше. Метан подвергается фотолизу с образованием радикалов метилена и. метила:

CH4+ftv-> СН2 + Н2, (7.1)

СН&+加—СН3+ Н.(7.2)

Аналогично аммиак подвергается фотолизу по схеме

NH3 + Ziv — NH2 + Н.(7.3)

Эти радикалы могут участвовать в большом числе реакций, например:

СН3 + С/ + М — С2Н6 + ";(7.4)

СН3 + С2Н6 — СН4 + С2H5，(7.5)

С2H5 4~ СН3 — С3Н8,(7.6)

СН3 + Н2 -^СН4 + Н,(7.7)

СН3 + NH2 + М f CH3NH2 + М.(7.8)

Такие реакции могут приводить к образованию высокомолекулярных соединений, которые конденсируются из атмосферы, образуя облака или внося в них свой вклад. Происходят ли в заметных масштабах некоторые из этих реакций или нет, зависит от температур в верхней атмосфере Юпитера. Реакции с выделением водорода, подобные (7.7), -~• это реакции с заметной энергией активации (5—— 15 ккал!моль), н они не будут происходить в заметных масштабах, если справедлива одна из низких оценок температуры у вершины облачного слоя.

Либо должны происходить реакции с выделением водорода, либо сам водород должен поглощать ультрафиолетовое излучение сильнее, чем обычно считается. В противном случае метан и аммиак давно исчезли бы из атмосферы Юпитера. Проведенный недавно пересмотр ранних измерений температуры планеты показывает, что температура у вершины облачного слоя превышает 200° К, так что, вероятно, первое объяснение правильно [41].

Поток солнечного излучения измерен при помощи спектрометров, установленных на ракетах; коэффициенты поглощения н для метана н для аммиака известны. Следовательно, можно сделать грубые оценки скорости фотолиза метана и аммиака [421. На глубинах, где излучение La 丑@ 50 ц 90% ослаблено поглощением в метане, скорости фотолиза метана оцениваются в 1,1-104 и 7,4- Ю3 моле^ кул!с^-сек соответственно, ”коростн фотолиза аммиака —

в 1,2-104 и 4,3-104 молекул!см3• сек соответственно. К сожалению, температуры в атмосфере Юпитера и коэффициенты поглощения многих соединений, возможно образующихся в ней, известны еще недостаточно хорошо, чтобы можно было рассчитать равновесные концентрации таких соединений.

Почти ничего не известно о размерах и распределениях по размерам частиц в облаках Юпитера. В основном это связано с тем, что кривые поляризации света, диффузно отраженного облачным слоем, можно пронаблюдать только в пределах нескольких градусов по углу фазы. Над облачным слоем происходит некоторое рассеяние синих лучей, вызванное, вероятно, частицами аммиака с размерами, значительно меньшими длины волны. Такие частицы будут рассеивать свет по закону Релея.

Сатурн, Нептун и Уран также имеют очень протяженные атмосферы. В атмосферах всех трех планет отождествлен метан. Они почти наверняка содержат также очень большое количество водорода, гелия, неона и аргона. Количества аммиака и воды ограничены давлением их паров при температурах атмосфер этих планет. На Сатурне, подобно Юпитеру, наблюдается облачный слой, изменения в котором сильно влияют на его внешний вид. Исследования рассеяния света атмосферами Урана и Нептуна говорят о том, что в них также существует дымка или облачный слой.

Сатурн, конечно, представляет особый интерес из-за своих колец. Колец всего три, они обозначаются буквами А, В и С в порядке уменьшения радиуса. Внешний диаметр кольца А порядка 274 000 юи. Кольца А и С не столь ярки, как В. Кольца полупрозрачны, т. е. они не сплошные, а состоят из отдельных частиц. О природе этих частиц известно мало. Инфракрасный спектр колец сильно напоминает спектр отражения инея [8]. Возможно, частицы в них могут быть кристаллами аммиака. Обзор наших знаний о Сатурне вплоть до 1962 г. был опубликован Александером [43].

ПЛУТОН

Плутон находится настолько далеко от Солнца (около 7,4-109 км), что его температура должна быть очень низка.

Любые газы на нем будут вымерзать и атмосфера его, если она и есть, должна быть очень разреженной. Таким образом, по-видимому, не может быть и речи о существовании на Плутоне каких-либо устойчивых облаков.

КОМЕТЫ

О возможном вкладе комет в пылевую составляющую межпланетной среды солнечной системы говорят очень часто. Ввиду этого уместно рассмотреть вопрос об их природе и о механизме образования в них частиц.

Кометы можно определить как тела солнечной системы, обладающие способностью при нагревании солнечным излучением выделять относительно большое количество пыли и газа, особенно тогда, когда они сравнительно близки к Солнцу. Так как вещество, выделяемое кометами, теряется ими безвозвратно, время жизни комет должно быть довольно ограниченным по сравнению с временем жизни других крупных тел солнечной системы.

Кометы двигаются по очень разнообразным орбитам. Некоторые из них неотличимы от орбит малых планет; орбиты других очень эксцентричны и сильно наклонены к плоскости земной орбиты. Определены орбиты всего 566 комет, тогда как орбит малых планет определено более чем 1600 [44]. Многие кометы имеют очень вытянутые орбиты, характерные только для комет. Некоторые кометы удаляются на расстояния от Солнца, составляющие заметную долю расстояния до ближайших звезд.

Полностью развившаяся комета имеет три характерные части. Ядро ее напоминает звезду и почти наверняка состоит из твердого вещества. Ядро окружено комой, или головой. Вид ее более размытый, чем у ядра, границы четко не определены. Голова, вероятно, состоит в основном из смеси твердых частиц, нейтральных молекул и атомов. Хвост кометы может состоять как из пыли, так и из газа. Спектр хвоста состоит из линий и полос, накладывающих - ся на непрерывный спектр. Линии и полосы вызваны эмиссией различных возбужденных атомов или молекул, но главным образом ионов. Непрерывный спектр создается рассеянным солнечным светом и содержит солнечные фра- унгоферовы линии. Обычно хвосты тянутся в сторону

от Солнца, но иногда развиваются хвосты, которые кажутся направленными к Солнцу. Сравнительно недавним примером кометы с хвостом, или «острием», направленным к Солнцу, является комета Аренда — Ролана, которая появилась в 1956 г. н была видна невооруженным глазом. Две фотографии этой кометы показаны на рис. 44 и 45. Хотя кажется, что хвост ее направлен к Солнцу, в действительности это иллюзия перспективы. Такой вид кометы Ларсон - Линдер [45] объясняет очень сильной концентрацией кометного вещества в плоскости орбиты. Тем не менее некоторые аномальные хвосты могут действительно быть обращенными к Солнцу.

Спектр головы и ядра кометы расшифровывается как спектр нейтральных атомов, молекул и свободных радикалов, появляющихся только в голове, и различных ионов, более характерных для хвостов. В число первых входят [46]: CN, G, С3, NH, ОН, NH2, CH, Na, О, Fe и Ni, в число вторых: СО+, N2+ и СН+.

Хвосты комет могут состоять либо в основном из пылевых частиц, либо в основном из ионов. Различия в составе ответственны за различия в направленных от Солнца ускорениях и, следовательно, за различия в виде хвостов. Хвосты, состоящие в основном из ионизованных газов, обычно прямые и узкие. Те хвосты, спектры которых обусловлены в основном рассеянным солнечным светом и которые предположительно в основном состоят из пыли, напротив, широки и искривлены. Комета Мркоса (1957d) имела два хвоста: один длинный н прямой, спектр которого состоял из отдельных полос и линий, другой искривленный, довольно короткий, с непрерывным спектром (рис. 46). По-видимому, первый хвост был газовым, а второй пылевым.

Не все кометы, проходя близ Солнца, развивают хвосты. Около половины всех хвостов состоят из ионов, хотя они могут сопровождаться также и пылевыми хвостами.

Как ускорения, так н форму хвостов, состоящих из мелких частиц, можно объяснить, по крайней мере в общих чертах, давлением излучения. Давлением излучения нельзя объяснить поведение хвостов, состоящих из ионов и электронов (плазменные хвосты), и их свойства, вероят-

Рн с. 44. Комета Аренда—Ролана (1956 hlхвост, кажутся напрК 就 м%%；嚴吟Рн с. 44. Комета Аренда—Ролана (1956 hlхвост, кажутся напрК 就 м%%；嚴吟Р н。45. Комета Аренда—Ролана (1956 h).Р н。45. Комета Аренда—Ролана (1956 h).HJHHJHРис. 46. Комета Мркоса (1957 d). Видны два хвоста: длинный хвост—газовый; короткий и искривленный состоит в основном из пыли.Рис. 46. Комета Мркоса (1957 d). Видны два хвоста: длинный хвост—газовый; короткий и искривленный состоит в основном из пыли.

Рн с. 44. Комета Аренда—Ролана (1956 hl

хвост, кажутся напрК 就 м%%；嚴吟

Рн с. 44. Комета Аренда—Ролана (1956 hl

хвост, кажутся напрК 就 м%%；嚴吟

Р н。45. Комета Аренда—Ролана (1956 h).

Р н。45. Комета Аренда—Ролана (1956 h).

HJH

HJH

Рис. 46. Комета Мркоса (1957 d). Видны два хвоста: длинный хвост—газовый; короткий и искривленный состоит в основном из пыли.

Рис. 46. Комета Мркоса (1957 d). Видны два хвоста: длинный хвост—газовый; короткий и искривленный состоит в основном из пыли.

ио, обусловлены солнечным корпускулярным излучением, так называемым солнечным ветром.

О размерах кометных пылевых частиц известно мало. Механическая теория пылевых хвостов, носящая имена

Бесселя — Бредихина, была пересмотрена Вурмом [46]. Хотя эта теория подтверждает основанный на оптических характеристиках хвостов вывод о том, что такие хвосты состоят не из ионов, а из мелких частиц, она говорит нам

мало нового о размерах этих частиц. Если выбрасываемые из комет частицы, подобные частицам в хвостах, являются главной составляющей зодиакального облака, то мы можем получить грубое представление об нх распределении по размерам (см. гл. V). Лилл ер [47] изучил изменения цвета, яркости, поляризации и формы пылевых хвостов комет Аренда — Ролана (1956 h) и Мркоса (1957 d). Спектроскопические наблюдения хвостов обеих комет показали, что большая часть видимого света была рассеяна твердыми частицами. Цвет был определенно краснее, чем у солнечного света, что указывает на то, что диаметры частиц, вероятно, находились в пределах 0,25—5 мк. Результаты поляризационных измерений совместимы с предположением о рассеянии света на железных шариках диаметром около 0,6 мк и массой около 8-10~13 г. Лиллер утверждает, что этот результат подтверждается исследованиями микро- метеорных тел, собранных на больших высотах, в число которых входит большое число маленьких железных шариков. Частицы движутся от ядра кометы с ускорением около 1 см/сек2. По этим данным были рассчитаны скорости убыли массы для двух комет н в конечном счете — массы комет. Измерения поверхностной яркости хвостов позволили оценить массы хвостов. Результаты этих расчетов приведены в табл. 4.

Широкое распространение получили две теории строения кометного ядра. Одна из них — это модель «песчаного роя». Согласно этой теории, ядро состоит из рыхлых агрегатов твердых частиц различных размеров и значительного количества газов. Частицы удерживаются вместе гравитационными силами или, возможно, просто потому, что они обладают одинаковыми орбитами вокруг Солнца. Распад комет объясняется нагреванием от Солнца или приливными силами. Другую теорию можно назвать моделью ледяного конгломерата. Согласно этой модели, ядро образовалось из межзвездного вещества при температурах от 10 до 100° К- Ядро состоит из отдельных твердых масс. Когда ядро приближается к Солнцу, более летучие компоненты испаряются и освобождают при этом менее летучие частицы» которые образуют пылевые хвосты.

К сожалению, существование дискретных ядер нельзя подтвердить или опровергнуть прямыми наблюдениями.

Таблица 4

Данные для

вычисления

масс комет [47]

Комета 1956 h

Комета 1957 d

Даты наблюдений, на которых основываются расчеты

Расстояние от ядра, иа котором проведены наблюдения, км

Среднее расстояние между рассеивающими частицами, м

Средняя концентрациярассеива

ющих частиц, сх'

Средняя плотность рассеивающих частиц, г/см3

Принятый объем хвоста, см?

Масса рассеивающих частиц в хвосте, г

Скорость убыли массыкометы

(рассеивающих частиц), ?/сек

Массарассеивающихчастиц,

теряемая за один оборот, г

Оценка времени жизни кометы, число оборотов

Полнаямассарассеивающих

частиц (1957 г.), г

Полная масса (оценка), г

1957 г., апрель 30,2

2,12106

4,2

1,35-КГ8

1,1・ Юто

8 • 1033

9-Ю13

8-Ю7

5-Ю14

100

5 ♦ ЮК

1(Я

1957 г., август 23,2

4,42-10®

3.1

3,4・10-8

2,5・10-20

8-1033

2-1014

Ы0в

7-Ю16

Ю0

7-Ю17

Ю18

Некоторые кометы кажутся лишенными ядер, но это может быть следствием того, что ядро слишком мало.

Уиппл [48] рассмотрел затруднения, с которыми сталкивается модель «песчаного роя». Их можно суммировать следующим образом:

Количество газа, теряемого кометой, по-видимому, столь велико по сравнению с количеством твердого вещества, что трудно себе представить, что оно может увлекаться роем мелких частиц.

Судя по объему и массе крупных комет, ядра их могут состоять самое большее из нескольких крупных

тел.

Наблюдаются как ускорения, так и торможения комет.

Некоторые кометы проходят очень близко от Солнца. Например, комета 1882 II прошла на расстоянии менее одного солнечного радиуса от поверхности Солнца. На этом расстоянии солнечное тепло полностью испарило бы любые частицы диаметром меньше 30 см. После прохождения около Солнца эта комета распалась на несколько частей. Было высказано предположение, что это произошло вследствие испарения и последующей конденсации. Уиппл [48] указывает, что эта комета принадлежит к группе из шести комет с очень малым перигельным расстоянием. Это является веским свидетельством в пользу существования материнской кометы, которая по крайней мере один раз прошла очень близко от Солнца и распалась на шесть комет. Частицы, входящие в состав такой кометы, если бы она представляла собой «песчаный рой», должны быть порядка метра в диаметре, чтобы уцелеть. Уиппл подчеркивает также, что ряд других комет прошел на расстояниях меньше 0,1 а.е. от Солнца, т. е. достаточно близко для того, чтобы голова кометы, состоящая из очень малых частиц, испарилась.

Кометы иногда дают гигантские вспышки яркости, которые нельзя объяснить моделью «песчаного роя», как, впрочем, и другими моделями. Например, у кометы Швас- смана — Вахмана наблюдались вспышки в несколько звездных величин, происходившие периодически с интервалом в несколько часов. Часто высказывается предположение, что такие вспышки являются результатами столкновений между астероидами и ядром кометы, но комета Швассмана — Вахмана вспыхивала за пределами орбиты Юпитера, где астероидоподобные тела редки.

Была предложена также модель плотного «песчаного роя». Ряд упомянутых выше трудностей в ней устранен, но другие остаются, особенно трудности, связанные с большой величиной отношения масс газа и твердого вещества.

Теория ледяного ядра, по-видимому, более общепризна- на, чем теория песчаного ядра, но и она имеет свои трудности. Модель ледяного ядра была, например, подвергнута критике со следующей точки зрения. Когда такое ядро

распадается, возникает большое число разломов, что прн- водат к значительному увеличению поверхности. Как можно ожидать, это будет сопровождаться гигантской вспышкой яркости. Уиппл [48,] однако, утверждает, что такое ядро будет «просто угасать без вспышки». Это может произойти, если ледяное ядро неправильной формы исчезает вследствие сублимации и распадается при относительно медленном вращении.

Главными составляющими льда кометного ядра, вероятно, являются клатраты. Это твердые вещества, обладающие многими свойствами химических соединений, но на самом деле состоящие из отдельных газовых молекул, заключенных в пустоты, которые являются существенной частью кристаллической структуры некоторых твердых тел. Таким образом, связи в них, строго говоря, физические, а не химические. Твердый «гидрат» метана СН4- • 6Н2О почти наверняка принадлежит к этому типу веществ. Существованием этого соединения в кометном ядре можно объяснить присутствие метана в ядре при относительно высоких температурах.

Согласно теории ледяного ядра, частицы, образующие хвосты, постепенно освобождаются по мере сублимации льда и отталкиваются от Солнца давлением излучения. Иногда, однако, они выбрасываются и в других направлениях с силой, достаточной для образования аномальных хвостов. Теория ледяного ядра не объясняет вспышек комет. Возможно, ядро каким-то образом запасает солнечную энергию, приходящую к нему в виде излучения, и освобождает ее во вспышках. Другая возможность состоит в том, что свободные радикалы, заключенные внутри ледяного ядра, каким-то образом вступают в реакцию н освобождают необходимую энергию. Возможно, что реакция происходит между свободными радикалами и стабильными органическими молекулами, такими, как молекула ацетилена. Уиппл [48] предположил, что если первоначальное отложение вещества в ядре происходило неравномерно, то в нем могли образоваться локальные высокие концентрации очень летучего вещества. Когда комета приближается к Солнцу и внешние слои ядра удаляются в результате абляции, при нагревании такого вещества могут возникнуть нерадиальные силы. Это приведет к

значительным изменениям в скорости вращения, что в свою очередь может вызвать разрушение ядра. Возможно, конечно, что осуществляется сразу несколько таких процессов, причем в разное время действуют различные механизмы.

Неудивительно, что происхождение комет еще более таинственно, чем их строение. Было предложено несколько теорий, но ни одна из них не является вполне удовлетворительной. Они могли образоваться, например, при конденсации дополнительного обмена в то же самое время, когда образовались и планеты. Было высказано также предположение [49], что, каким бы способом ни образовывались астероиды, одновременно с ними возникали обломки, двигавшиеся по неустойчивым орбитам. Третья возможность состоит в том, что кометы образовались из вещества, захваченного солнечной системой из межзвездного пространства после образования планет.

Донн [50, 511 предполагал, что солнечная система некогда была пересыщенной туманностью, довольно быстро конденсировавшейся в «первичные» частицы. Он пришел к выводу, что эти частицы в основном представляли собой отдельные длинные кристаллы (иглы). Это перекликается с гипотезой Гиббса [52] о том, что Луна покрыта такими иглами, которые образовались при конденсации солнечной туманности. Донн считает, что в то время, как большая часть частиц входит в состав астероидов, спутников или планет, многие небольшие скопления, образовавшиеся в окрестностях Юпитера и Сатурна, в конечном счете становятся кометами. Изолированные первичные частицы не могут уцелеть в течение нескольких миллиардов лет, прошедших со времени их образования. Если это так, то кометная пыль, вероятно, является единственным источником относительно неизменных частиц, которые конденсировались из первичной солнечной туманности. При распаде кометных ядер освобождаются метеорные тела и более крупные их агрегаты очень низкой плотности, так называемые «пылевые шарики».

При каждом прохождении близ Солнца (в перигелии) кометы теряют часть своей массы и могут сохраняться только в течение нескольких сотен прохождений. Поскольку кометы все еще существуют, первоначально должно

было образоваться очень большое их число, если только не считать, что они возникают непрерывно или захватываются солнечной системой. Оорт [53] предположил, что наряду с самой солнечной системой образовалось облако примерно из 2-1011 комет, которое удалилось от Солнца на расстояние порядка 105 а. е. Сначала это облако было гораздо ближе к Солнцу. Из-за возмущений орбиты какой- либо из этих комет ее перигелий перемещается в область расположения планет. Затем под влиянием гигантской массы Юпитера комета превращается из долгопериодической в короткопериодическую и через определенные интервалы наблюдается с Земли.

С другой стороны, Довийе [49] считает, что кометы образуются непрерывно из астероидов при их прохождении близ Юпитера. Согласно этой гипотезе, планетные системы, лишенные астероидов, т. е. разрушенных планет, не имеют и комет.

Существует множество аргументов, показывающих несостоятельность гипотезы о возникновении комет за пределами солнечной системы. Например, в этом случае прямые орбиты были бы столь же часты, как и обратные, чего не наблюдается. Орбиты комет часто были бы не эллиптическими, а сильно гиперболическими. Некоторые кометы действительно имеют слабо гиперболические орбиты, но эти орбиты, по-видимому, образовались в результате возмущений со стороны больших планет.

ГАЛАКТИЧЕСКАЯ ПЫЛЬ

Галактика, в которой мы живем, Млечный путь, содержит большое количество межзвездной пыли. Галактики, вероятно, вообще являются очень запыленными системами. Пыль в нашей собственной Галактике можно наблюдать в виде темных пятен на фоне Млечного Пути. Прекрасный пример такого пылевого облака — это Угольный мешок близ созвездия Южный Крест. Лучшим примером пылевого облака, видимого из северного полушария, по-видимо- му, является «щель» в созвездии Орла.

Облака в основном находятся в спиральных ветвях и представляют для астрономов большую помеху, так как мешают наблюдениям удаленных частей Галактики, например ее ядра.

Коэффициент рассеяния в облаках увеличивается с уменьшением длины волны света. Судя по свойствам рассеянного света, частицы являются твердыми и средний радиус их меньше 0,3 мк.

Большое количество сведений о природе галактических частиц было получено при изучении поляризации света удаленных звезд, явления, которое было открыто независимо Хилтнером [54] и Холлом [55]. Плоскость колебаний перпендикулярна галактической плоскости. Свет далеких звезд поляризован только тогда, когда он испытывает покраснение, н поляризация не зависит от физических свойств звезды [56, 57]. Вероятнее всего, поляризация вызывается теми же частицами, которые создают поглощение света звезд. Результаты поляризационных измерений можно объяснить тем, что частицы имеют удлиненную форму и ориентированы. Такая ориентация требует наличия сил, которые могут быть обеспечены магнитным полем. Имеются веские доказательства того, что необходимые поля действительно существуют. Магнитные поля могут, например, образоваться в результате турбулентности межзвездного газа. Дэвис и Гринстейн [58] полагают, что силовые линии их должны быть ориентированы вдоль спиральных ветвей галактики.

Спитцер и Таки [59] считают, что частицы ферромагнитны и состоят в основном из железа, магния и их соединений. Они предполагают, что частицы, ответственные за поляризацию, образуются при столкновениях между другими частицами. По их оценке, одна из каждых четырех частиц ——составная и представляет собой плотное ядро, окруженное водным, аммиачным и метановым льдом. Дэвис и Гринстейн [58] считают, что частицы содержат в основном соединения водорода и около 12% железа (по весу). Предлагаемый ими механизм ориентации частиц, которые они считают вращающимися, связан с возникновением небольшого неконсервативного момента при парамагнитной релаксации в веществе, содержащем несколько процентов железа. Интересно рассмотреть возможность того, что частицы могут быть игол кам и -монокр металлам и, подобными тем, которые, по мнению Донна [51], существуют в межпланетном пространстве.

Довийе [49] считает, что галактическая пыль образова-

лась при взрывах звезд. Это предполагает, что предварительно образовались атомы и небесные тела. Частицы, таким образом, являются конечным продуктом долгой н сложной эволюции. Он указывает на то, что частицы должны быть заряжены положительно в результате облучения их ультрафиолетовым светом звезд, и это должно предотвращать их агломерацию.

Весовая концентрация пылевых частиц в Млечном Пути оценивается примерно в 10-26 г/см3. Это средняя концентрация, локальные плотности несомненно могут быть больше [1J.

Можно ожидать присутствия пыли и в других галактиках, кроме нашей. Есть веские доказательства того, что это действительно так. Большое Магелланово Облако содержит много пыли, хотя в Малом Магеллановом Облаке ее мало. Довийе [49] сообщает, что Элви и Холл изучили поляризацию света примерно от десятка галактик. Была отмечена значительная поляризация, максимальная у галактики М 82 (15%).

Относительно мелких частиц в межгалактическом пространстве мы можем высказывать лишь предположения. В больших скоплениях галактик наблюдается светлыii фон, возможно состоящий как из частиц, так и из газа. Численная концентрация галактик близ центра большого скопления, по-видимому, меньше, чем близ его края. Это может быть следствием того, что в центре скопления галактики закрыты облаком частиц н газа. В нашей Галактике пыль концентрируется к центральной плоскости. Возможно, что она постепенно теряется в межгалактическое пространство через спиральные рукава. Если это так, то ее окончательная судьба является уже предметом космологии.

ЛИТЕРАТУРА

Glasstone S., Sourcebook on the Space Sciences, New York, Van Nostrand, 1965.

Leighton R. B., Murray В. C., Sharp R. P., A 1 1 e n J. D., S 1 о a n R. k・，Science. 149, 627 (1965L

Anders E., Arnold J. R., Science, 149, 1494 (1965).

Witting J., N a r i n F., Stone C. A.. Science, 149,

1496 (1965).

5.

6.

7.

al e вк к

8.

9.

10.

11.

12.

13.

о

D

14.

15.

a eSD

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

aio V e a u у ePLB EHCK LM

e

D

1 d w i n R. B・，Science, 149, 1498 (1965).

i о г e A., Cain D. L., L e v у G. S., E s h 1 e m a n V・ R., D г a к e F. D・，Science, 149, 1243 (1965).

1 1 о g g W. W., Sagan C., The Atmospheres of Mars and Venus, Publication № 944 of the National Academy of Sciences-National Research Council, Washington, D. C., 1961. (Русский перевод: В. Келлог, К. Саган, Атмосферы Марса и Венерн, М., изд-во «Мир». 1963.) i р е г G. Р., in The Atmospheres of the Earth and Planets, ed. G. P. Kuiper, Chicago, Univ, of Chicago Press, 1952. (Русский перевод 1-го изд. сб. «Атмосферы Земли н планет», под ред. Дж. Койпера, М., ИЛ, 1951).

i п г a d Н., Munch G., Kaplan L. D.,Astro -

phys. J., 137, 1319 (1963).

n h a m T., in The Atmospheres of the Earth and Planets, ed. G. P. Kuiper, Chicago, Univ, of Chicago Press, 1952. (Русский перевод 1-го нзд. сб. «Атмосферы Земли и пла- нет», под ред. Дж. Койпера, М., изд-во «Мир», 1951.) п i е 1 s о п R. Е.» Amer. Scientist, 51, 375 (1963).

1 f u s A., Polarization Studies of Planets, in The Solar System. Ill, eds. G. P. Kuiper and В. M. Middlehurst, Chicago, Univ, of Chicago Press, 1961. (Русский перевод в сб. «Планеты и спутники», М・，ИЛ, 1963.)

1 f u s А.» Visual and photographic studies of planets at Pic du Midi, in The Solar System. Ш, eds. G. P. Kuiper and В. M. Middlehurst, Chicago, Univ, of Chicago Press, 1961. (Русский перевод в сб. «Планеты и спутники», М., ИЛ, 1963.)

g а п С., Icarus, 1, 70 (1962).

Vaucouleurs G., Physics of the Planet Mars, London, Faber and Faber, 1954. (Русский перевод: Ж. В о к у- лер, Физика планеты Марса, М., ИЛ, 1956.)

1 m A., Basu В., Icarus, 4, 111 (1965).

n k F., Bull. Astron. Inst. Czech., 2, 1 (1950).

u s k a J., S v e s t k a Z., Bull. Astron. Inst. Czech., 2, 6 (1950).

a n s D. C., Science, 149, 969 (1965).

s s S. L., Astrophys. J., 127, 743 (1958).

m e г о n A. G. W., Icarus, 2, 249 (1963).

i p e г G. P., Comm, of the Lunar and Planet. Lab., 1, № 15, 83 (1962).

о t B., Ann. Obs. Paris-Meudon, 8, 70 (1929).

n z e 1 D. H., W h i p p 1 e F. L., Publ. Astron. Soc. Pacific, 67, 161 (1955).

irmendjian D., Icarus, 3, 109 (1964).

1 1 a c k J. B., Sagan C., J. Geophys. Res., 70, 4403 (1965).

s t г о w R., R a s о о 1 S. I.» J. Geophys. Res., 67, 1642

・・(1962).

0 p i k E. J., J. Geophys. Res., 66, 2807 (1961).

Jones D. E.. Planet. Space Sci., 5, 166 (1961).

S a g а и С., Siegel К- М., J о n е s D・ Е., Astron J., 66, 52 (1961).

D о 1 1 f u s A., Endeavour, 24, 87 (1965).

Rice F. О.» Chem. Eng. News, 89 (February 15, 1965).

RobertsJ. A., Planet. Space Sci., 11, 221 (1963).

Козырев H. A., J. Brit. Astron. Assoc., 73, 345 (1963). Peek В. M., The Planet Jupiter, London, Faber and Faber,

О p /кЕ. J.. Icarus, 1, 200 (1962).

'-37 Sci^Amer., 194, № 6, 119 (1956).The Planets: Their Origin and Development, New Haven, Yale Univ. Press, 1952; The Atmospheres of'-37 Sci^Amer., 194, № 6, 119 (1956).The Planets: Their Origin and Development, New Haven, Yale Univ. Press, 1952; The Atmospheres ofS p 1 n г a a H., U г e у H. С., В

'-37 Sci^Amer., 194, № 6, 119 (1956).

The Planets: Their Origin and Development, New Haven, Yale Univ. Press, 1952; The Atmospheres of

'-37 Sci^Amer., 194, № 6, 119 (1956).

The Planets: Their Origin and Development, New Haven, Yale Univ. Press, 1952; The Atmospheres of

A241,

39.40.39.40.RURUi c e F. O.,

39.

40.

39.

40.

R

U

R

U

Г e ^^ H • ^^・，4 aav*、■ j._~ —_

л, Yale Univ. Press, 1952; The Atmospheres oi the Planets, in Encyclopedia of Physics, Vol. 52, Berlin, Springer-Verlag, 1959.

41.42.43.41.42.43.u г г а у В. C, J. Geophys. Res., 67, 1649 (1962).

41.

42.

43.

41.

42.

43.

a d 1 e R. D., J. Atmos. Sci., 19, 281 (1962).

lexander A. F. O'd., The Planet Saturn, New York,

Macmillan, 1962.

44.44.Roemer E., in The Solar System. IV, eds. В. M. Middlehurst and G. P. Kuiper, Chicago, Univ, of Chicago Press, 1963. 45. Larsson-Leander G., Arkiv for Astron., 2, 259 (1958). 46. Wurm K., in The Solar System. IV, eds. В. M. Middlehurst and G. P. Kuiper, Chicago, Univ, of Chicago Press, 1963.

44.

44.

L i 1 1 e r W., Astrophys. J., 132, 867 (I960).

W h i p p 1 e F. L., in The Solar System. IV, eds. В. M. Middlehurst and G. P. Kuiper, Chicago, Univ, of Chicago Press,

1963.

49.49.DDDDa u v i 1 1 i e r A., Cosmic Dust, New York, Philosophical Library, 1964.

49.

49.

D

D

D

D

о n п B., in Cosmic Dust, ed. H. E. Whipple, New York, New York Academy oT Sciences, 1964.

о n n B., Icarus, 2, 396 (1963).

i b b s A. R., Icarus, 2, 181 (1963).

о r t J. H., Bull. Astron. Inst. Ned., 11, 91 (1950).

(1949).a 1 1 J. S. i 1 t п e f(1949).a 1 1 J. S. i 1 t п e fi 1 t n e г W. A., Science, 109, 165 (1949); Nature, 163, 283

(1949).

a 1 1 J. S. i 1 t п e f

(1949).

a 1 1 J. S. i 1 t п e f

,Science, 109, 166 (1949).W. A., Astroj *'…,Science, 109, 166 (1949).W. A., Astroj *'…55.56.57.58.59.55.56.57.58.59.▲ U«J ,* wz 、—/ -

,Science, 109, 166 (1949).

W. A., Astroj *'…

,Science, 109, 166 (1949).

W. A., Astroj *'…

55.

56.

57.

58.

59.

55.

56.

57.

58.

59.

strophys. J., 109, 471 (1949).

a 1 1 J. S., M i ke I a v I s L., Greena 1 1 J. S., M i ke I a v I s L., Green;e 1 1 A. H., Astron. J., 54, 187 (1949).

a 1 1 J. S., M i ke I a v I s L., Green

a 1 1 J. S., M i ke I a v I s L., Green

s t e i n J. L., Astrophys. J., 114, 206

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие к русскому изданию Предисловие

Глава I. Введение

Определения размеров частиц Распределения размеров Определения среднего размера Функции распределения Литература

Глава II. Тропосфера

Природа тропосферы

Источники частиц

Морская соль

Лесные пожары, горные породы и почва .

Вулканы

Метеорная пыль .1

Вещества биологического происхождения Загрязнение воздуха Химические реакции

Распределение размеров частиц

Физика облаков

Конденсация

Распределение размеров облачных капель Образование дождя Град Литература

Глава III. Стратосфера и мезосфера

Природа стратосферы

Распределение размеров частиц Химический состав Перламутровые облака

9 3 45 7 80 1 1117078029226945 о 016 3 41 11112 2 2222333455666688 9 9 9 9 0 09 3 45 7 80 1 1117078029226945 о 016 3 41 11112 2 2222333455666688 9 9 9 9 0 0Природа мезосферы

9 3 45 7 80 1 1117078029226945 о 016 3 4

1 11112 2 2222333455666688 9 9 9 9 0 0

9 3 45 7 80 1 1117078029226945 о 016 3 4

1 11112 2 2222333455666688 9 9 9 9 0 0

Серебристые облака 105

Выхлопы ракет НО

Лазерное зондирование НО

Литература 112

Глава IV. Радиоактивные выпадения 114

Механизмы образования радиоактивных выпадений.114

Воздушные взрывы 114

Наземные взрывы 125

Подземные взрывы 130

Образование кратера 134

Аэрозоли, образующиеся при работе ядерных ре

акторов и разделительных установок..•135

Случайное образование радиоактивных частиц.136

Локальные выпадения 137

Базисная волна ”137

Совместное действие метеорологических условий и размеров частиц •.,...二..138

Прогнозирование распределения выпадений по поверхности 141

Глобальные выпадения 154

Тропосферные запаздывающие выпадения .154

Стратосферные запаздывающие выпадения161

Выпадения из верхней атмосферы . . . -170

Выпадения, образующиесяв результате аварий 173

• Судьба радиоактивных выпадений 175

Литература . . • . 176

Глава V. Межпланетная пыль 18°

Зодиакальный свет 18°

Метеорные тела и метеориты .•186

Тектиты 2°3

Литература 206

Глава VI. Луна 209

Происхождение Луны 212

Рельеф лунной поверхности 215

Лунная атмосфера 222

Доказательства наличияпыли на поверхности Луны 223

Источники пыли на лунной поверхности . . .234

Свойства предполагаемого вещества лунной поверхности 240

Литература 244

Глава VII. Планеты, кометы и галактическая пыль . •247

Марс 247

Венера 257

284284Оглавление

284

284

Меркурий

Юпитер и другие планеты-гиганты...

Плутон

Кометы

Галактическая пыль

Литература

•261

263

267

268

277

279

Р. КЕЙДЛ

Твердые частицыв атмосфере и в космосе

Редактор Р. Г. ЗолинаХудожественный редактор В. И. ВарлашинТехнический редактор Т. А ЧечикКорректор Е. Г. Литвак

Сдано в производство 13/VIH 1968 г. Под-писано к печати 2I/XI 1968 г. Бумага тип.№ 1. 84Х・108Уз2=4,5 бум. л. 15,12 усл. печ. л.Уч.-нзд. л. 15,13. Изд. № 27/4777. ЦенаI р. 69 к. Зак. 1275. Тем. план нзд-ва «Мир»1969 г. пор. № 101.

Издательство «МНР», Москва, 1-й Риж-ский пер., 2.

Ярославский полиграфкомбинат Главполи-графпрома Комитета по печати прн СоветеМинистров СССР. Ярославль, ул. Свобо-ды, 97.

PARTICLES IN THEATMOSPHERE AND SPACERICHARD D. CADLENational Center for Atmospheric ResearchBoulder, ColoradoPARTICLES IN THEATMOSPHERE AND SPACERICHARD D. CADLENational Center for Atmospheric ResearchBoulder, Colorado

PARTICLES IN THEATMOSPHERE AND SPACE

RICHARD D. CADLE

National Center for Atmospheric ResearchBoulder, Colorado

PARTICLES IN THEATMOSPHERE AND SPACE

RICHARD D. CADLE

National Center for Atmospheric ResearchBoulder, Colorado

Р. КЕЙЛЛ

ТВЕРДЫЕ ЧАСТИЦЫ

В АТМОСФЕРЕ И В КОСМОСЕ

Перевод с английского

К. Д. ЛЮБАРСКОГОс предисловиемА. Е. МИКИРОВА

REINHOLD PUBLISHING CORPORATIONNEW YORK 1966

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МНР»

МОСКВА 1969

УДК：523.07

Автор, видный специалист по физике и химии атмосферы, поставил перед собой задачу —— с единой точки зрения рассмотреть роль мелкодисперсного твердого вещества в земной атмосфере и космическом пространстве. Твердые частицы играют большую роль в процессе формирования осадков, загрязнении атмосферы пылью н радиоактивными выпадениями; не менее велика их роль и в проблемах безопасности космических полетов.

Глава I книги посвящена общим свойствам твердых частиц и их распределению по размерам, гл. II и III —— атмосферной пыли в нижних и верхних слоях атмосферы, гл. IV — пылевым радиоактивным выпадениям н их динамике. Следующие главы посвящены метеорным частицам в межпланетном пространстве, пыли иа Луне и пылевой материи иа планетах солнечной системы.

Книга представит большой интерес для читателей самых различных специальностей: астрономов, геофизиков, метеорологов, физиков, инженерио-тех- нических работников различного профиля, военных специалистов. ■

5GA用 /5GA用 /

5GA用 /

5GA用 /

Инд. 2-6-5Инд. 2-6-5

Инд. 2-6-5

Инд. 2-6-5

jccyj，宀 lB£FHaA1публичн я ОГ 二/Тена[им. ВТ Бе-ииского

Редакция космических исследований,астрономии и геофизики