Популярная аэрономия
Шрифт:
Именно на этом пути и были в последние годы получены интересные результаты, помогающие разобраться в клубке проблем физики D-области.
Оказалось, что если ввести параметр f+, характеризующий соотношение на данной высоте между общим количеством ионов-связок и количеством обычных ионов (f+=[CB+]/[NO+ + О2+], и проанализировать экспериментальные данные об ионном составе, то получается интересная закономерность.
Величина f+ на фиксированной высоте очень сильно зависит от уровня ионизации, т. е. от скорости ионизации q и соответствующей равновесной концентрации электронов [ё]. На h = 80 км, например, величина f+ изменяется (см. рисунок на стр. 95) от 102 ночью или во время полного солнечного затмения (в этих случаях q и [е] очень малы) до примерно 1 днем (обычные q и [е]) и до 10-2 во время сильных возмущений типа поглощения в полярной шапке (когда q и [е] сильно возрастают). Изменение, что и говорить, существенное - на 4 порядка величины (в 10 тысяч раз)!
Таким образом, ночью на 80 км доминируют ионы-связки, а доля ионов NО+ и О2+ не превышает 1%. Днем и те и другие существуют в примерно равной пропорции, а во время возмущений доля ионов-связок становится мала (проценты) и доминируют обычные ионы. Чем сильнее область D "освещена" ионизующим излучением, тем ниже отступает область ионов-связок. Такое впечатление, что ионы-связки "не любят" освещенный период и предпочитают "держаться в тени".
Давайте посмотрим, какие же заключения можно сделать из этих выводов, основанных на экспериментальных данных. Один из выводов касается эффективного коэффициента рекомбинации - мы поговорим о нем в следующем параграфе. А сейчас обсудим, что дает обнаруженное изменение f+ для понимания механизмов образования ионов-связок.
Как образуются ионы-связки? С какого процесса начинается цепочка "связкообразования", как одни связки переходят в другие? На все эти вопросы необходимо иметь ответы, если мы хотим (а мы, несомненно, хотим!) до конца понять физику ионосферы на высотах, где доминируют ионы-связки. Но однозначных ответов, увы, пока нет, хотя нет недостатка в очень сложных и громоздких схемах, включающих десятки реакций. Да и как могут быть однозначными ответы, если схемы преобразования ионов-связок включают такое большое число реакций, многие из которых не исследованы в лаборатории. И если сами концентрации отдельных ионов-связок известны нам плохо из-за возможных эффектов разрушения во время измерений.
И здесь снова помогает подход, о котором мы рассказывали. Рассмотрим просто все ионы-связки вместе, как нечто единое, не занимаясь их внутренними "проблемами", но противопоставляя их обычным ионам NО+ и O2+.
Чтобы не говорить все время "обычные ионы N0+ и О2+, назовем их еще "первичными ионами". Ведь именно они образуются в результате первичных актов ионизации, а ионы-связки - с другой. Теперь схема преобразований положительных ионов приобретает вполне читаемый вид (см. рисунок) - на ней показаны процессы, которые мы встречали. Стрелки gNO+ и gО+ олицетворяют образование соответствующих ионов в актах ионизации. Стрелка NO, N2 соответствует перекачке О2+ в NО+ по ионно-молекулярным реакциям с N2 и N0. Диссоциативная рекомбинация N0+, O2+ и связок показана соответственно NO+, О2+, св+. И наконец, два канала образования ионов-связок (из О2+ и N0+) обозначены как ВО2+ и BNO+. Cхема получилась действительно простая. И соотношения, которые легко из нее вывести, тоже оказываются несложными.
Не приводя их здесь, отметим лишь выводы, которые из них следуют.
Во-первых, в рамках этой схемы величина f+ получается обратно пропорциональной электронной концентрации. Вот и качественное объяснение уменьшения f+ с ростом q и [е] обнаруженного по экспериментальным данным.
Во-вторых, выясняется, что роль каналов ВО2+ и BNO+ В образовании связок различна в разных условиях. В невозмущенных условиях образование ионов-связок идет главным образом из ионов N0+, канал ВО2+ мало существен. В возмущенных условиях(поглощение в полярной шапке, солнечная вспышка) каналы меняются ролями и на первое место выходит образование ионов-связок из О2+. Происходит это в основном потому, что эффективность канала ВO2+ не зависит от условий, а величина BNO+ уменьшается с ростом электронной концентрации (примерно, как [e]-1).
Таким образом, из экспериментальных данных с помощью описанной схемы мы получили представление об относительной эффективности и изменчивости двух каналов образования ионов-связок из первичных ионов. Можем мы из тех же данных оценить и абсолютные величины ВO2+ и BNO+. НО вот сказать, какие конкретные химические реакции стоят за этими каналами, мы пока точно не можем. Сведений об эффективности различных реакций - возможных кандидатов на роль главных создателей ионов-связок все еще очень мало.
Это, так сказать, качественная картина, набросанная грубыми мазками. Ну а для количественного анализа, для уточнения деталей нужно еще много работы. Как с лабораторными данными, так и с результатами измерений в ионосфере.
Положительная сторона отрицательных ионов
Электрон - легкая частица, положительный ион - тяжелая (отношение масс иона и электрона равно примерно 104). Так уж повелось, что в большей части ионосферы положительные частицы тяжелые, а отрицательные - легкие. Но электрону не нравится быть легкой частицей. Он стремится натолкнуться на одну из окружающих нейтральных частиц и примкнуть к ней. Если это ему удается, образуется отрицательный ион. Это уже тяжелая, отрицательно заряженная частица.
В книге "Химия, атмосфера и космос" в разделе "Что такое отрицательные ионы?" рассказано о том, как в принципе образуются отрицательные ионы, какие именно первичные ионы и в результате каких процессов могут формироваться в земной ионосфере и на каких высотах. Не повторяя здесь всего этого материала, отметим лишь кратко, что отрицательные ионы образуются в области D в результате тройной реакции
и поскольку скорость этой реакции [02]2[е] зависит от плотности атмосферного газа в квадрате, концентрация отрицательных ионов должна резко уменьшаться с высотой.
Коронный вопрос физики нижней ионосферы - это вопрос о , т. е. об отношении концентраций отрицательных ионов [Х-] к электронной концентрации [е]. Где, если мы движемся сверху вниз, кончается область легких отрицательных частиц и начинается царство тяжелых? Мы знаем, что на высоте 100 км отрицательных ионов практически нет ( очень мало). Мы уверены, что на 50 - 60 км отрицательные ионы доминируют над электронами (>>1).
Но вот что происходит на этих 40 - 50 км? Где та высота, на которой сравниваются концентрации отрицательных ионов и электронов ( =1)?
Много лет ученых занимает эта проблема. Много попыток сделано ее решить. Много в результате получено кривых распределения параметра с высотой. И среди них... ни одной надежной. Ибо проблема определения количества отрицательных ионов очень сложна.
В принципе возможны два пути ее решения - экспериментальный и теоретический, но...
Мы договорились не вдаваться в технические проблемы аэрономических измерений. Поэтому просто констатируем, что прямо измерить, количество отрицательных ионов [Х-] в области D еще никому не удалось. Видимо, сколь-нибудь надежного прибора для этого просто пока не существует. Но зато сколько было предпринято попыток получить [Х-] из измерений двух других концентраций: электронов и положительных ионов!
Поскольку в ионосфере всегда выполняется условие нейтральности, т. е. равенства количеств положительно и отрицательно заряженных частиц в единичном объеме
достаточно измерить [Х+] и [е], чтобы получить [Х-].
Но с измерением электронной концентрации и особенно концентрации положительных ионов имеются трудности. Единственный метод измерения [Х+]- зонды, устанавливаемые на ракете. О проблемах интерпретации таких измерений мы уже говорили. Ну а к чему приводят результаты зондовых измерений [X+], если мы им верим?