VAKUUMIST 21/4(2001) ISSN 0351-9716 VAKUUM IN PLAZMA V ZEMELJSKI ATMOSFERI Miha Čekada, Institut »»Jožef Stefan«, Jamova 39,1000 Ljubljana Vacuum and Plasma in Earth Atmosphere ABSTRACT In this paper, the composition and structure of Earth atmosphere Is described Emphasis is given on the chemical reactions in stratosphere and ionosphere, the vacuum environment in the area where manned spacecraft orbit, as well as examples of plasma in nature. POVZETEK V prispevku je opisana sestava in struktura zemeljske atmosfere. Natančneje so opisane kemijske reakcije v stratosferi in ionosferi. vakuumsko okolje v orbiti, kjer krožijo sonde s človeško posadko, in primeri plazme v naravi. 1 Uvod V prejšnji številki Vakuumista smo opisali vakuum v vesolju, pomudili smo se tudi pri atmosferah drugih planetov. V tem prispevku pa bomo natančneje opisali atmosfero na Zemlji. S stališča vakuumske znanosti je najbolj zanimivo dogajanj© v 2gornjih plasteh atmos fere, saj so tam razmere do neke mere podobne kot v vakuumskih napravah v laboratoriju. Vsem tako poznano vremensko dogajanje je omejeno le na najnižji sloj atmosfere, ki pa nekako ne spada v okvir vakuumistike. Po kratkem opisu zemeljske atmosfere kot celote se bomo podrobneje posvetili nekaj izbranim temam. Prve meritve in hipoteze o fiziki višjih plasti atmosfere niso starejše od 150 let /1/. To so bili prvi poleti z balonom v stratosfero, pojav nepredvidenih električnih tokov po telegrafskih vodnikih in vzpostavitev medcelinske radijske povezave. Le-ta je napeljevala na razlago, da se radijski valovi odbijejo od neke prevodne plasti v atmosferi, in že ob prelomu stoletja je bila postavljena hipoteza o plasti prostih elektronov in ionov v zgornji atmosferi. Danes ji pravimo ionosfera. Iz čisto praktičnih razlogov (prekinitev električnega toka v omrežju, prekinjena telegrafska zveza) pa so raziskovali motnje v zemeljskem magnetnem polju in s tem povezane električne tokove. Sčasoma so prišli do spoznanja, da je v precejšnji meri za le pojave odgovorna trenutna aktivnost Sonca. Do natančnejše slike je bilo treba počakati do petdesetih in šestdesetih let, ko so lahko izvedli prve in-situ meritve zgornjih plasti atmosfere. 2 Sestava in struktura zemeljske atmosfere Ob nastanku Zemlje pred 4,5 milijardami let je bila zemeljska atmosfera popolnoma drugačna od današnje. Velike količine vodika in helija, nabrane iz prvotnega protoplanetarnega oblaka, so sčasoma zapustile Zemljino privlačno polje. Razlog je v majhni molski masi in s tem povezano veliko hitrostjo molekul. Zemljina gravitacija je prešibka oz. ubežna hitrost premajhna, da bi jih lahko zadržala. Vsi težji plini so prišli v atmosfero ob vulkanskih izbruhih, pretežno z razplinjanjem magme. Ti procesi v manjši meri potekajo še danes. Najpomembnejši plini so bili vodna para (H2O). ogljikov dioksid (CO2), žve-plov dioksid (SO2) in molekularni dušik (N2). V zemeljski zgodovini pa se je sestava bistveno spremenila. Vodna para je kondenzirala in se začela zbirati v oceanih. Ogljikov dioksid se je raztopil v vodi, reagiral s kalcijevimi in magnezijevimi ioni ter tvoril karbonatno oborino, kalcit - CaCOs in dolomit - (Mg.Ca)C03. Žve-plov dioksid je reagiral z vodno paro in v obliki kislega dežja (H2SO4) zapustil atmosfero. Edini primarni plin, ki je ostal do danes v atmosferi, je dušik, ki je kemijsko inerten in netopen v vodi IM. Ves kisik v današnji atmosferi je plod biogene dejavnosti, natančneje fotosinteze. K odlaganju karbonatnih kamnin in s tem odnašanju CO2 iz atmosfere so tudi odločilno pripomogli morski organizmi. S slabim odstotkom volumskega deleža je argon tretji najpogostejši plin v zemeljski atmosferi. Nastal je radiogeno, in še vedno nastaja, z ß-razpadom kalijevega izotopa 40K. Navsezadnje moramo še omeniti antropogeni prispevek, torej pline, ki so prišli v atmosfero kot plod človekove aktivnosti. Predvidevajo, da je bila koncentracija CO2 v predindustrijski dobi okrog 280 ppm. kar je za slabo petino manj od današnje vrednosti. Še posebej se ta aktivnost pozna pri plinih v sledovih, najbolj znan primer so klorofluoroogljiki, ki jih prej v naravi ni bilo. V tabeli 1 je podana sestava zemeljske atmosfere ob površju. Čeprav se podatki po literaturnih virih precej razlikujejo, je ustaljena delitev atmosfere na štiri sloje: troposfero, stratosfero, mezosfero in termosfero. Vmesne plasti imenujemo tropopavza. stratopavza in mezopavza. Ta delitev sloni na temperaturnem profilu (slika 1). Troposfera se razteza od gladine morja do nekako 10-15 km višine. Za primerjavo: Mt. Everest je visok 9 km, komercialni letalski poleti pa potekajo le nekaj kilometrov višje. Temperatura z višino pada, kot smo vajeni iz vsakdanjega življenja. Stratosfera se razteza med 10 in 50 km višine, zanjo pa je značilna plast ozona, ki absorbira ultravijolično sevanje iz vesolja, mezopavza -stratopavza- < L tropopavza - 0. -r i a J N> KM IM KO temperatura (K) Slika 1: Temperaturni profil zemeljske atmosfere in osnovna delitev na štiri sloje 111 19 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 21/4(2001) zato v stratosferi zaradi absorpcije temperatura raste z višino. Med 50 in 80 km se razprostira mezosfera, kjer temperatura spet pada. Nad mezosfero je obširna ter-mosfera {80 - 1000 km), kjer temperatura ponovno naraste, tja do 2000 K. V spodnjem delu termosfere, imenovanem ionosfera, prihaja do močne absorpcije v ultravijoličnem in rentgenskem področju in s tem povezano ionizacijo molekul. Včasih navajajo še eksosfero, ki z vrha termosfere zvezno preide v medptanetarni prostor 121. Orbite vesoljskih sond s človeško posadko so na višini 250 - 500 km. Padanje tlaka z višino do približno 120 km dovolj dobro podaja barometrska enačba: p=p0e-31 kjer je po tlak na površju Zemlje (1013 mbar). M povprečna molekulska masa. g težni pospešek, T temperatura, R splošna plinska konstanta in z višina. V tem področju je stalno razmerje plinov, povprečna molekulska masa je konstantna (slika 2), zato to področje tudi imenujejo homosfera. V višjih plasteh (heterosfera) pa se povprečna molekulska masa močno spreminja. 1000 I----1—,---------1---------1 —i--------1 i---------1 900 - \ 800- \ 700 - \ "g" 600 - \, g 600 - \ 5» \ *> 400- \ 300 - \ »0^ X. -J ioo(- »- o_____i_____i_____ ¦____i_____L.—L 2 6 10 14 18 22 28 30 molekulska masa (kg) Slika 2: Profil povprečne molekulske mase 181 Med fizikalno najpomembnejšimi pojavi v atmosferi, in s stališča vakuumistike najbolj zanimivimi, kaže natančneje opisati kemijske reakcije v stratosferi in ioni-zacijske procese v ionosferi. 3 Ozonska plast Tropopavza, področje prvega temperaturnega minimuma na višini 10 -15 km. učinkovito ločuje stratosfero od troposfere. Zato je vremensko dogajanje v glavnem omejeno le na troposfero. Tudi Zemljino površje - oceani in kontinenti - na stratosfero nimajo bistvenega vpliva. Absorpcija ultravijolične svetlobe v stratosferi pote- ka skoraj izključno v kisiku oziroma ozonu, čeprav je volumski delež ozona le okrog 10 ppm na višini 25 km, kjer gaje največ. Ta proces ščiti živa bilja na Zemlji pred UV-svetlobo iz vesolja. Tvorba ozona poteka v dveh stopnjah /1/: Oa + hv -> O + O 0 + 02+M->03 + M kjer je M neka tretja molekula, potrebna za ohranitev energije in gibalne količine. Ozon razpada na tri načine: z absorpcijo ultravijolične svetlobe: 03 + hv -» O2 + O lahko reagira z atomarnim kisikom: O + O3 -» 2O2 ali pa katalitsko preko X=CI( OH ali NO: X + O3 -* XO + O2 XO + O -»X + O2 Naštete kemijske reakcije so le najpomembnejše, saj sodeluje še mnogo diuyih mulekulin iutiuv. V zadnjem času žal postaja vse pomembnejši zadnji proces, in sicer zaradi antropogenih emisij klorofluoroogljikov (CFC-jev, freonov). Za primer si poglejmo CFCI3 s komercialno oznako CFC-11: CFCI3 + hv -> CFCI2 + Cl Sproščeni klor pa katalizira razpad ozona: Cl + O3 -> CIO + O2 CIO + O -»Cl + O2 Na kratko si poglejmo še toplotno bilanco atmosfere. Gostota svetlobnega toka s Sonca je 1340 W/m2. Od tega se 35 % svetlobnega toka odbije nazaj v vesolje, 47 % absorbira na površju in oceanih, v atmosferi pa le 18 %. Atmosfera je torej relativno dobro prepustna za vidno svetlobo, ne pa tudi za infrardečo, ki jo sekundarno emitira segreto površje Zemlje. Zaradi slabe prepustnosti atmosfere za infrardečo svetlobo je povprečna temperatura zemeljskega površja za 33 "C višja od ravnovesne temperature črnega telesa, izpostavljenega takemu svetlobnemu toku. Govorimo o pojavu tople grede. Najpomembnejši toplogredni plin je vodna para, za velikostni red manj pa CO2 in nekateri drugi plini (03, CH4 in N2O) /3/. 4 Ionosfera Glede obsega ionosfere ni enotnega mnenja v literaturi. Saj je tudi definicija bolj nejasna, da je ionosfera tisti del atmosfere, kjer je »precej« prostih elektronov in ionov. Spodnjo mejo se postavlja med 60 in 90 km, zgornjo pa od 250 do 1000 km. Opišemo jo lahko kot šibko ionizirano plazmo z naslednjimi značilnimi parametri (velja za višino 120 km): tlak 10" mbar, gostota ionov 10s cm , gostota nevtralov 10 cm" , stopnja ionizacije pa nikjer ne preseže 10 .V spodnjih slojih, tja do 200 km (imenujemo ju D- in E-sloj), prevladujejo molekularni ioni 02+, N2+ in NO+. medtem ko je višje (F-sloj) pretežno enoatomarni O"*" (slika 3) /1/. 20 VAKUUMIST 21/4(2001) ISSN 0351-9716 Tabela 1: Sestava atmosfere pri površini Zemlje /1/ 900 M«*. H* ] N aoo ^ H 700 L 600 / \ JC • \ (O 500 C ^2 *oo N. > 300 ¦F v. N o* \ 200 • F E o;.n2;no' _-•'-* lOO -0 • ' ' o1 tO* IOs «D* gostota elektronov (cm"3) Slika .?* Profil Številske gostote elektronov in pripadajočih ionov 111 Tudi pri gostoti nevtralov so precejšnje razlike. Medtem ko se sestava troposfere in stratostere praktično ne spreminja z višino, pa v ionosferi delež nevtralnih molekul hitro pada. V F-sloju je tako najpomembnejši nevtral atomarni kisik. Še višje pa postaneta pomembna helij in vodik. Zanju je zanimivo, daje koncentracija ob površju praktično zanemarljiva, z višino pa le neznatno pade. Medtem ko potekajo reakcije v stratosferi z absorpcijo bližnje ultravijolične in delno vidne svetlobe, pa je v ionosferi v igri daljnja ultravijolična in mehka rentgenska svetloba. Ozon tukaj ne igra nobene vloge. Ključni reakciji sta fotodisociacija dušika: N2 + hv -* N2+ + e- -» N+ + N + e- in kisika: O2 + hv -* 02+ + e* O + hv -» 0+ + e- K tem je treba prišteti še ustrezne rekombinacije in reakcije med posameznimi reaktantj, kamor spada tudi tvorba molekulskega iona N0+. Če upoštevamo še manj pogoste molekule, število teh reakcij močno naraste, tako da je dogajanje v ionosferi le delno raziskano. V tem gre tudi iskati dejstvo, da je vpliv antro-pogenih plinov na atmosfero še slabo poznan. Mnogo slednih plinov v zemeljski atmosferi nastaja pri foto-disociaciji (tabela 1). Ionosfera je zelo nestalna. Njene lastnosti se spreminjajo z geografsko širino, dnevom/nočjo, letnim časom in je povezana z dogajanjem v magnetosferi. Poznanje razmer v zunanjih plasteh zemeljske atmosfere je zelo pomembno za vesoljske polete, še posebej za področje med 250 in 500 km, kjer navadno krožijo sonde s človeško posadko. Prva težava je razplinjanje sten sonde, ki nekajkrat poveča tlak v neposredni Kisik ¦ar-d v. voda* ogljikov dioksid i -. oksid ksenon ogljikov monoksid ozon Ne Hi CH< Kr H; X* CO o, pum v sieoovin '8 ppmv 5.2 ppmv 1,7 ppmv 1 ppmv 0.5 ppmv 0.3 ppmv 0.1 ppmv <0,2 ppmv <0,1 ppmv dus-kov dioksid jveplov dioksid CFC-|i (skupaj) nekateri dn^i^r. -n 3 ppi* 0.2PPOV 0.8 pODv NO, SO, radrogeni Diogei» anlropogeni radiogem fotokemtfaii. biog«n. Diogent. antropogen: tadiogeoi antfopogeni, oiogeoi, fotokemicni pod 0,1 ppmv rotokermöni. anfopogeni vulkanski, aniropogeni. 'otokemični anuopogert 'Odstotki se razen pri vodi nanašajo na suh zrak. ppmv = volumski delež proti milijon ppbv = volumski delež proti milijardi bližini. Hlapne komponente se utegnejo redeponirati na hladne dele sonde - senzorje, objektive ipd., zato je zelo pomembna izbira primernih materialov. Neprimerni so polimeri, pa tudi nekatere kovine, npr. cink/4/. Pogosto slišimo, da so v vesolju zelo primerne razmere (breztežnost, vakuum) za določene nove tehnologije. Pa je res tako? Na višini, kjer krožijo sonde s človeško posadko, je tlak 10"8 mbar (slika 4), kar v laboratoriju (na Zemlji) dosežemo brez večjih težav. Večji del preo- gostota (kg/m) 1000 900 1tf14 10-" to*10 10* 10* IC4 10* n« 1 »1 - 11 800 - \\ 1 - 700 - \ "I" 600 > 400 V \\ \\ v v v 300 v 200 \N gostota tlak ^^<^^. -—i—,—t—.—¦--------i . 1 >,^ 100 0 ifl'0 10* 10* 10"4 1Q3 10' 10' tlak (mbar) Slika 4: Profil tlaka in gostote 18/ 21 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 21/4(2001) stalih plinov je atomarni kisik (slika 5), ki je zelo reaktiven. Če želimo doseči vakuumsko okolje, kjer bo tlak precej nižji od laboratorijskega, moramo poskrbeti za dvoje (slika 6). Prvič, da preprečimo kontaminacijo zaradi razplinjanja sten, mora eksperiment potekati dovolj stran od sonde. In drugič, s primerno oviro v smeri gibanja sonde moramo zagotoviti senčenje. Ker je hitrost kroženja sonde okoli Zemlje nekajkrat večja od hitrosti gibanja molekul, nastane za oviro stožec izrazito znižanega tlaka. Šele v tem področju, torej za oviro in daleč od sonde, so primerne razmere ek-stremno visokega vakuuma. 1000 108 1010 1012 1014 1016 10" 1020 10» 10* 10» Številska gostota (m'3) Slika 5: Profil številske gostote za najpomembnejše pline 181 Slika 6: Priprava ekstremno visokega vakuuma v orbiti 141 5 Magnetosfera V prejšnji številki Vakuumista smo opisali sončev veter in omenili njegovo interakcijo z magnetnim poljem Zemlje. Zdaj si to poglejmo malo podrobneje. V gro- bem lahko magnetno polje Zemlje opišemo kot dipol z magnetno poljsko gostoto na površini 50 /iT. Sončev veter, tok nabitih delcev s Sonca, se širi v medplane-tarni prostor. Interakcija med sončevim vetrom in Zemljino magnetosfero je podobna preletu nadzvočnega izstrelka. Na prisončni strani je udarni val (slika 7). Relativno nespremenjeno dipolno polje Zemlje obdaja kometu podobna magnetopavza, na prisončni strani je debela deset Zemljinih polmerov, na odsončni pa odprta. Tokovnice sončevega vetra se na udarnem valu močno deformirajo in v vmesnem področju med mag-netopavzo in udarnim valom obidejo Zemljo. Razmere v magnetosferi niso konstantne, predvsem so odvisne od Sončeve aktivnosti. mognatopavza Slika 7: Zemeljska magnetosfera 191 Nabiti delci najlaže vstopijo v notranje plasti magneto-sfere v bližini polov, kjer so silnice Zemljinega magnetnega polja najgostejše. Na višini 100 - 500 kilometrov reagirajo z atomi in molekulami v ionosferi ter jih vzbudijo oz. ionizirajo. Pride do emisije v vidnem, pa tudi UV- in iR-področju. To je polarni sij (aurora) IM, /5/. Območje blizu ekvatorialne ravnine deluje kot magnetna steklenica za nabite delce. To sta t. i. Van Allenova pasova, kjer je pretok nabitih delcev do 106 cm^S'1. Tako močno sevanje je lahko smrtno nevarno za astronavte, zato so morali pri načrtovanju poletov na Luno upoštevati velikost Van Allenovih pasov. 6 Dva primera plazme Na koncu si poglejmo še, kje na Zemlji lahko v naravi najdemo plazmo. Omenili smo že ionosfero, dobro poznan primer je strela pri nevihti, manj pa je znano, da so tudi meteorji (utrinki) plazma. Že v prejšnji številki Vakuumista smo omenili meteoroide. to so drobci, ki krožijo okrog Sonca; njihova hitrost je velikostnega reda nekaj deset km/s. Ko tako telo vstopi v zemeljsko atmosfero, se zrak pred njim močno segreje in ionizira, delno zaradi kompresije, delno pa zaradi tvorbe udarnega vala (hitrost meteoroida je seveda nadzvočna). Vsekakor pa ne drži razširjena trditev, da »se meteoroid segreje zaradi trenja z zrakom«. Meteoroid se segreje do te mere, da začne material izparevati s površne, tako da lahko v spektru meteorja poleg črt plinov zaznamo tudi Črte nevtralnih in ioniziranih atomov silicija, kalcija itd. Velika večina meteoroidov izpah v atmosferi, le dovolj veliki padejo na površino Zemlje, imenujemo jih meteoriti /6/. TI VAKUUMIST 21/4(2001) ISSN 0351-9716 Navadni meteorji zasvetijo na višini okrog 100 km, pri čemer je njihova sled dolga nekaj kilometrov, široka pa le nekaj metrov. T.i. bolidi ali ognjene krogle razpadejo na višinah 20 - 50 km. Za močnejšimi meteorji ostane plazemska sled še nekaj minut, tako da uspejo radioamaterji preko nje vzpostaviti radijsko zvezo. Še danes ni enotne razlage, kakšen je v detajlih proces ločitve naboja v oblakih, ki povzroča nastanek strele. Vsekakor pa se večji delci pretežno nabijejo negativno, manjši pa pozitivno. Delo, ki je potrebno za ločitev nabojev, opravi sila teže. Tako je v splošnem spodnji nivo oblakov nabit negativno, zgornji pa pozitivno. Pri tem pa oblaka ne smemo gledati izolirano, temveč kot del širšega, med seboj povezanega sistema: oblaki v troposferi - ionosfera - magnetosfera. Ionosfera je prevodna in tokovi, ki tečejo po njej, so močno odvisni od trenutnih razmer v magnetosferi. Zato tudi udarec strele ni zgolj razelektritev med spodnjim delom oblakov in zemljo, temveč ga včasih spremljajo pojavi precej višje, v grobem lahko govorimo o razelektritvah med oblaki in ionosfero. Zanimivo je, da so njihov obstoj potrdili šele leta 1990/7/. Na kratko si še poglejmo, kako nastane strela, čeprav si ta. edini pojav plazme v neposrednem Človekovem naravnem okolju gotovo zasluži poseben Članek v eni prihodnjih številk. S prej omenjenim ločevanjem nabojev v nevihtnem oblaku naraste napetost med spodnjim delom oblaka in zemljo na nekaj deset milijonov voltov. Ko je električno polje dovolj veliko, začnejo pospešeni elektroni ionizirati molekule zraka. Kanal plazme se začne kaskadno širiti proti tlom. Ko je »pot« med oblakom in zemljo sklenjena, pride do glavnega udarca, kjer v 200 /js steče tok 10.000 A. Kanal pla2me se močno segreje in še dodatno ionizira, zaradi udarnega vala vročega zraka pa nastane grom. Po glavnem udarcu ostane kanal še dovolj dolgo ioniziran, da lahko po isti poti sledi še več dodatnih, šibkejših udarcev. 7 Sklep Zemeljska atmosfera nima jasno določene meje, temveč zvezno preide v medplanetarni prostor. Na višini, kjer krožijo sonde s človeško posadko, je tlak v področju ultravisokega vakuuma. Še posebej pomembno pa je. daje naša atmosfera zelo nehomogena, tako po sestavi, kot po procesih, ki se odvijajo v posameznih plasteh. Velja si tudi zapomniti, da na Zemlji naletimo na plazmo v štirih primerih: v ionosferi, ki obkroža celo Zemljo, v polarnem siju, v meteorjih (utrinkih) in v streli med nevihto. 8 Literatura Pred tremi leti smo v Vakuumistu pisali o ionskih izvirih za pogon vesoljskih plovil (Vakuumist 18/4 (1998)). Opisana je bila naprava, ki sojo vgradili v sondo Deep Space 1. Cilj misije je bil preskus 12 novih tehnologij, med njimi na prvem mestu ionskega pogona, in obisk asteroida 9969 Braille. Čeprav je bila misija prvotno omejena na leto dni (oktober 1998 - september 1999), so jo zaradi odličnega delovanja sonde podaljšali še za dve leti in vključili obisk kometa Borrelly. Dne 18. decembra 2001 so izklopili vse instrumente na sondi in s tem je bil projekt zaključen. Ionski motor je deloval 670 dni in v tem času porabil 90 % zalog goriva (ksenona). Ker se je ionski izvir izkazal kot zelo zanesljiv in ekonomičen, ga bodo vgradili v bodočo sondo »Dawn«, ki bo poletela k asteroidoma Ceres in Vesta leta 2006. /1/ Encyclopedia ot Phyisicai Science and Technology, Academic Press. Orlando. 1987 12/ V. Vujnovič. Astronomija 1/2. škotska knjiga. Zagreb. 1989/90 /3/ P. Warneck. Chemistry o( the Natural Atmosphere, vol. 41 of International Geophysics Series, Academic Press. London, 1988 141 P. Kleber, Proc. IX Internat. Vac. Congress-V Internat. Coni Solid Surf.. Asociacion Espanota del Vacioy susAplicaciones. ur. J.L. de Segovia, Madnd. 1983,264 /SI W. Winnenburg. Humboldi-Astronomie-Lexikon, Humboldt Taschenvertag Jacob!, München, 1990 /6/ M. Triglav. Meteorji. DMFA, Ljubljana, 2000 ni S. B. Mende. D D Sentman. E. M Wescott. Scientific American. Avg. 1997.36 18/ D. R. Ude. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 72nc edition, CRC Press. Boston. 1991 -92 19/ J Hermann. dtv-Atlas zur Astronomie. Deutsche Taschenbuch Verlag. München. 1990 /3