Текст книги "Популярная аэрономия"

Автор книги: А. Данилов

Жанр:

Научпоп

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 10 страниц)

Хорошим примером такого рода является красная линия атомного кислорода 6300 Å, которую излучают атомы О, возбужденные в состояние 1D. Изучая пути образования и гибели этих атомов, выяснили, что на высотах ионосферной области F2 они образуются в результате основных ионосферных реакций (ионно-молекулярные реакции и диссоциативная рекомбинация), а потому тесно связаны с состоянием ионосферы в этой области. Таким образом, наблюдая за свечением линии 6300 Å даже с Земли, можно судить о поведении весьма важной области ионосферы. Сейчас уже думают о мониторинге (т. е. постоянном наблюдении в разных местах Земли) красной линии, чтобы контролировать поведение ионосферного слоя F2, что очень важно для диагностики и прогнозирования распространения коротких радиоволн.

Имеются и другие идеи, как использовать атмосферные эмиссии для контроля процессов, в которых участвуют возбужденные частицы. Так, по поведению молекул O2(1Δg), за которыми удается следить, наблюдая инфракрасные полосы в области 1,27 мк, можно судить о ночном количестве озона на высотах около 80 км, где прямые измерения Оз ночью весьма затруднены. А распределение с высотой ряда эмиссий, порождаемых возбужденными атомами и молекулами кислорода, дает сведения о вертикальном профиле атомного кислорода на высотах 80 – 110 км, в области, где хуже всего проводить его прямые измерения.

Таковы основные особенности возбужденных частиц, которые делают их столь важными для аэрономии и послужили причиной столь пристального внимания к ним в последнее время.

Не все возбужденные атомы и молекулы, которые могут появляться в верхней атмосфере, способны активно вмешиваться в важные аэрономические процессы. Как правило, речь идет о так называемых метастабильных возбужденных частицах, т. е. о частицах, время жизни которых относительно излучения достаточно велико. Мы уже говорили в начале этой книги о понятии "время жизни". В данном случае речь идет о том, сколько данная частица может просуществовать (если на нее не влияют никакие посторонние факторы) между моментом возбуждения и моментом спонтанного (самопроизвольного) излучения запасенной энергии в виде кванта. Для так называемых разрешенных состояний это время очень мало и составляет ничтожные доли (10-3 – 10-4 и даже меньше) секунды. Естественно, частицы в таких состояниях не успевают ни накопиться до значительных концентраций, ни принять участие в каких-либо процессах: едва родившись, они отдают свою энергию в виде излучения и вновь переходят в невозбужденное состояние.

Другое дело – метастабильные состояния. Частица в таком состоянии может находиться не излучая многие секунды, минуты, а в некоторых случаях – часы и дни. Например, время жизни относительно излучения атомов O(1D) составляет 100 с, а молекул O2(1Δg) – 1,5 ч. Естественно, что за такое долгое время жизни метастабильные частицы могут и накопиться в значительных количествах, и принять участие в различных аэрономических реакциях.

Именно о частицах, возбужденных в метастабильные состояния, или просто о метастабильных частицах, и идет обычно речь, когда говорят о роли возбужденных частиц в аэрономии. А роль эта, как мы понимаем уже сейчас, настолько велика, что советский ученый М. Н. Власов, много сделавший для изучения метастабильных частиц в верхней атмосфере, предложил область атмосферы, где концентрации этих частиц максимальны и где они принимают самое активное участие в аэрономических процессах, по аналогии с другими "сферами" называть эксайтсферой (от английского "excite" – возбуждать). Как и у многих других сфер, рассмотренных в этой книге, границы эксайтсферы достаточно размыты и точно определить их трудно. Тем не менее ясно, что днем наибольший вклад метастабильные частицы вносят на высотах 40 – 300 км. Суммарный профиль возбужденных частиц в дневной эксайтсфере имеет два максимума – примерно на 45 и 120 км. Первый обусловлен молекулами кислорода в состоянии 1Δg, о которых мы здесь неоднократно упоминали. Эти молекулы доминируют в эксайтсфере ниже 100 км. Второй максимум образован колебательно возбужденными молекулами азота, о которых мы поговорим ниже. Эти молекулы являются основной составляющей дневной эксайтсферы выше 100 км. Остальные метастабильные специи, о которых упоминалось в этом параграфе, располагаются в виде слоев различной ширины и с различной концентрацией (меньшей, однако, чем [N2#] и [О2(1Δg)]) на высотах от 80 до 300 км.

Ночью границы эксайтсферы значительно сужаются – она располагается на высотах 60 – 150 км с максимумом на высоте около 100 км. Основной составляющей ночной эксайтсферы являются все те же молекулы O2(1Δg), причем концентрации последних, так же как и других обитателей эксайтсферы, ночью значительно ниже, чем днем.

В ходе изложения наступил момент, когда читатель ждет от автора ответа на вопрос: "В каких же конкретных аэрономических процессах играют роль (и какую) метастабильные частицы?" К сожалению, достаточно полно ответить на него пока нельзя. И дело здесь не только в неизбежной сложности изложения, выходящей за рамки данной книги, но и в том, что исследование этого вопроса как раз и идет полным ходом сейчас, в данный момент развития аэрономии.

Перечислим здесь лишь несколько общих проблем и несколько примеров (часть которых уже встречалась на страницах этой книги) для иллюстрации.

Одна из проблем аэрономии, в которой метастабильные частицы должны играть очень важную роль,– это проблема теплового баланса. Метастабильные частицы участвуют в этой проблеме двояко.

Во-первых, имея избыток внутренней энергии, они могут отдавать ее при столкновениях окружающим частицам, приводя к изменению их термического режима, т. е. в конечном итоге – их температуры. Именно так, видимо, влияют колебательно возбужденные молекулы N2 на электроны в области Е, что может в ряде случаев приводить там к превышению Те над температурой нейтралов.

Во-вторых, возбужденные частицы сами являются показателем термодинамического режима той или иной области атмосферы и могут свидетельствовать в ряде случаев об отклонении этого режима от равновесного. Так, колебательные температуры молекулярного азота (т. е., грубо говоря, количество молекул N2, возбужденных на различные колебательные уровни) могут быть в эксайтсфере в несколько раз выше, чем соответствующие кинетические температуры окружающих атомов и молекул.

К сожалению, в вопросе о роли метастабильных частиц в термическом режиме верхней атмосферы ясна лишь важность самого вопроса – все остальное еще предстоит исследовать.

Могут участвовать метастабильные частицы и в процессах ионизации. Об этом мы уже говорили и в главе 5 и в этом параграфе. Видимо, ионизация возбужденных молекул кислорода играет роль в области D как днем, так и ночью. Днем это в основном ионизация молекул О2(1Δg) излучением с λ= 1118÷1027 Å, ночью – ионизация рассеянным излучением в линии Lα колебательно возбужденных молекул O2. Последний процесс может быть существен ночью и в области Е, внося тем самым вклад в решение проблемы ночного источника ионизации, о которой мы подробно рассказали в главе 4. Однако отсутствие точных данных об эффективности ионизации возбужденных молекул и о потоках рассеянного излучения затрудняет пока надежные количественные оценки.

Очень велика может быть роль возбужденных частиц в фотохимии заряженных частиц в области D. Уже ясно, что молекулы O2(1Δg) активно участвуют в двух важных реакциях – в отлипании электронов от ионов О2– и в разрушении ионов О4+. Однако можно ожидать, что и другие возбужденные частицы принимают существенное участие в очень сложном комплексе процессов, который идет в области D.

В последние годы много говорилось о зависимости важнейшей ионосферной ионно-молекулярной реакции O+ + N2, с которой мы много раз встречались в этой книге, от колебательного возбуждения (колебательной температуры) азота. Недавние лабораторные данные показывают, что константа скорости этой реакции реагирует на изменение колебательной температуры N2 так же, как на изменение кинетической температуры ионов O+. Значит, при построении теоретических моделей области F2 (что сейчас очень развито из-за влияния этой области на распространение радиоволн) необходимо помимо прочих исходных данных знать и количество . колебательно возбужденных молекул азота. А это – еще плохо разрешимая задача. При этом, естественно, встает вопрос о том, как влияют (и влияют ли) колебательно возбужденные молекулы N2 и O2 на другие ионно-молекулярные реакции в ионосфере. Однако ответа на него пока нет.

О том, как могут влиять возбужденные атомы и молекулы на фотохимию нейтральных частиц, лучше всего говорит пример с окисью азота. Другая метастабильная частица – атомы O(1D)-активно вмешивается в цикл процессов с участием водорода и его соединений. Процессы с участием этих атомов приводят, к диссоциации молекул Н2 и Н20. А образующиеся при этом атомы водорода и молекулы гидраксила начинают в мезосфере весь тот сложный клубок из многих и многих реакций, который называется водородно-кислородным циклом.

Мы все время говорили о возбуждении нейтральных частиц. Ну а возбужденные ионы? Могут ли они существовать и какую роль должны играть? Увы, этот вопрос легче поставить, чем разрешить. Фотохимия метастабильных ионов все еще изучена плохо. Мы не знаем практически ни возможного количества таких ионов, ни эффективности процессов, в которых они могут участвовать. Есть лишь самые общие соображения о том, что это могут быть весьма важные процессы. Так, пресловутая ионно-молекулярная реакция O+ с N2, дающая в обычных условиях ионы NO+, должна, видимо, приводить к образованию ионов N2, а не NO+, если исходные ионы O+ находятся в возбужденном состоянии. Последствия такой перемены читателям должны быть ясны.

Есть указания на то, что диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов должна происходить значительно медленнее (α*≈10-8см3×с-1), чем обычно, если эти ионы возбуждены на метастабильные уровни. И вновь важность этого факта для ионосферной фотохимии очевидна. Однако мы не имеем надежных данных, чтобы реально оценить оба указанных эффекта. Это предмет настоящих и будущих исследований.

Таково на сегодняшний день положение с изучением возбужденных частиц – обитателей эксайтсферы. Автору хотелось бы, чтобы читатель вынес главное: интерес к изучению природы и количества таких частиц в верхней атмосфере в последнее время непрерывно растет и этот интерес вполне оправдан, так как без учета роли метастабильных частиц нельзя полностью решить многие важные проблемы современной аэрономии.

Что же дальше? (Краткое заключение)

Итак, на страницах этой книги было рассказано об аэрономии. О том, что известно и устоялось, о новых идеях, которые лишь появляются, и о нерешенных проблемах, которые беспокоят специалистов.

Это – сегодняшний день аэрономии. Ну а можно ли заглянуть вперед и попытаться представить себе, как будет развиваться это направление науки в ближайшие 10 – 20 лет?

О практической значимости аэрономических исследований мы говорили во введении. Эта значимость и позволяет попробовать спрогнозировать будущее аэрономии. Ведь главное, что требуется от аэрономии в конечном итоге, – это знание различных характеристик верхней атмосферы, необходимое для практических нужд, иначе говоря – знание модели атмосферы.

Пока эти модели строятся – на основании чисто экспериментальных данных, "чистой" теории или совместно (так называемые "гибридные" модели) – для отдельных параметров или групп параметров, отдельных высотных областей или географических зон. Существуют модели эксайтсферы, области F2, распределения отрицательных ионов, полугодовых вариаций атомного кислорода и т. д.

Однако, как автор старался показать, все проблемы в аэрономии тесно связаны. И чем больше мы узнаем о физикохимии верхней атмосферы, тем больше таких связей мы обнаруживаем, причем подчас в самых неожиданных местах (кто, право, мог предположить 10 лет назад, что ионизационно-рекомбинационный цикл процессов в области F2 окажется прямо связанным со степенью возбуждения молекул N2, т. е. с состоянием эксайтсферы?). Особенно активно выступают в качестве "связующих" динамика, возбужденные составляющие и малые компоненты. А поскольку в последнее время мы все больше убеждаемся в важной роли, которую играют эти "связующие" в самых разных вопросах аэрономии, то неизбежно появляется все больше и больше примеров теснейшей взаимосвязи самых подчас далеких проблем верхней атмосферы.

Мораль ясна – достаточно точно верхнюю атмосферу можно описать, лишь рассматривая полную глобальную модель, включающую все мыслимые процессы. Те частные проблемы, которые наука рассматривает сейчас, те ' ограниченные модели, которые сейчас строятся,– все это "кирпичики", которые будут сцементированы новыми идеями о взаимосвязи различных процессов и лягут в основу будущей Модели.

В идеале такая Модель, реализованная в мощной ЭВМ, должна быть способна ответить на любой вопрос о состоянии верхней атмосферы в данный момент (диагностика) и предсказать поведение любого из параметров на ближайшее будущее (прогноз). Для успешного проведения диагностики и прогнозирования Модель должна непрерывно и автоматически подпитываться текущими данными регулярных наблюдений на спутниках, на сети ионосферных станций, на станциях наблюдения за свечением атмосферы и т. д.

Разработка основ и схем Модели, изучение и уточнение различных процессов, взаимосвязей, моделей – вот куда, по мнению автора, будут направлены в ближайшем будущем усилия специалистов, занимающихся аэрономией. А сама Модель должна явиться логическим завершением их усилий.

Но, конечно, это дело будущего. И естественно, новые специалисты придут к тому времени в аэрономию. Автор был бы рад, если бы среди них оказались те, кто прочел эту книгу (хотя, как говорилось в самом начале, она написана в основном для специалистов, работающих в смежных науках) и кого она подтолкнула к серьезному изучению аэрономии. Но это мечты автора...

Тем, кто все же захочет познакомиться с более серьезной литературой по аэрономии, можно порекомендовать следующие монографии:

1. Уиттен Р., Попофф Дж. Основы аэрономии. Гидрометеоиздат, 1977.

2. Данилов А. Д., Власов М. Н. Фотохимия ионизованных и возбужденных частиц в нижней ионосфере. Гидрометеоиздат, 1973.

3. Ришбет Г. и Гариотт О. Физика ионосферы. Гидромегеоиздат, 1975.

4. Николе М. Аэрономия. "Мир", 1964. 295 с,

а также единственную известную автору научно-популярную книгу по близким вопросам: Красовский В. И. Штили и штормы в верхней атмосфере. "Наука", 1975. 136 с.

Популярная аэрономия

Впервые в популярной форме, рассказывается об аэрономии – молодой науке, изучающей структуру верхней атмосферы Земли и протекающие там физические и химические процессы. Дается описание современных представлений о структуре атмосферы и ионосферы на высотах 50 – 500 км и проблем, связанных с различными вариациями атмосферных и ионосферных параметров. Подробно излагается современная концепция цикла процессов образования и гибели заряженных частиц, который определяет существование ионосферы.

О книге

Для кого написана эта книга

Что такое аэрономия?

1. Как устроена атмосфера

Сколько на свете сфер

Атомы – молекулы

Эти бесчисленные вариации...

Откуда ветер дует?

2. Сфера заряженных частиц

Кое-что о структуре

Где сколько электронов

Как много разных ионов...