Текст книги "Популярная аэрономия"

Автор книги: А. Данилов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 10 страниц)

Нужно ли, учитывая все это, удивляться, что в области D мы далеки от того положения с исследованием ионного состава, которое имеется в других ионосферных областях.

Итак, сложность получения экспериментальной информации о строении и составе ионосферы ниже 100 км очевидна. Несмотря на это, естественно, делаются все новые и новые попытки изучать D-область различными методами. Используют радиоволны, излученные с ракеты, модифицируют идею поглощения радиоволн, усовершенствуют зондовую методику, применяют методы, основанные на тонких эффектах распространения радиоволн, таких, как перекрестная модуляция, частичное отражение, взаимодействие с ионосферной плазмой сверхдлинных радиоволн и т. д. И нет недостатка в профилях, скажем, электронной концентрации, измеренных в разных местах различными приборами в разных условиях. Но беда состоит в том, что, получая в разных измерениях сильно отличающиеся результаты, мы каждый раз должны решать, является ли это отражением реальной изменчивости самой D-области или результатом ошибочности одного из примененных методов.

Ищем источник ионизации

"Одинокой области D нужен приличный источник ионизации для воздействия в дневное время. Обращаться по адресу: Земля, ионосфера, высота 65 – 85 км". Так, вероятно, должна выглядеть проблема, если перевести ее на язык доски объявлений.

Ну а если говорить серьезно, то поиски источника ионизации в D-области доставили исследователям немало хлопот.

Мы уже знаем, что солнечное ультрафиолетовое излучение с λ<1000 Å не проникает в атмосферу ниже 120 – 140 км. Оно является главной причиной существования основной части ионосферы. Его ближайший помощник – рентген с длиной волны 10 – 100 Å – ионизует нейтральные частицы на высотах 90 – 120 км, обеспечивая тем самым существование области Е. Но и он не может пробиться сквозь толщу нейтральных частиц на меньшие высоты.

Остается еще более коротковолное излучение с λ<10 Å. Кванты этого излучения благодаря своей высокой энергии способны пробиться несколько глубже в толщу атмосферы и вызвать ионизацию на 80 – 90 км. Но и в этом случае интенсивность очень резко падает с уменьшением высоты из-за сильного поглощения. Скорость ионизации, которую может обеспечить рентген, составляет на высоте 80 км 0,004%, или 4×10-5 скорости ионизации на высоте 100 км, а на 70 км эта величина уменьшается до 10-7. Реально оказывается, что эта скорость ионизации способна обеспечить лишь образование самой верхней части области D, лежащей выше 85 км. Очевидно, если бы за ионизацию D-области отвечал только рентген, то эта глава просто не понадобилась бы, так как не было бы ни проблем, ни загадок, ни самой D-области. Но она есть, со всеми своими проблемами. Значит, есть и другие источники, ее питающие, помимо рентгена. Один из таких источников – галактические космические лучи. Последние суть ядра тяжелых элементов прилетающие из просторов галактики и вторгающиеся в атмосферу. Энергия этих частиц столь велика, что они свободно достигают поверхности Земли или, во всяком случае, низколежащих плотных слоев. Ни о каком поглощении космических лучей на ионосферных высотах, которые интересуют нас, нет и речи.

Коротковолное излучение

Казалось бы, Космические лучи – кандидат номер один на роль создателя области D. Но и у них есть свои трудности. Поток космических лучей мал. А посему требуется много нейтральных частиц, чтобы произошло достаточное число актов ионизации (напомним, что q пропорционально потоку частиц n и концентрации нейтралов [М]). Значит, вклад космических лучей в ионизацию в атмосфере будет возрастать вниз и падать вверх. Оценки показывают, что предельная высота, на которой этот вклад еще существен,– 65 км. Ниже вся ионизация в атмосфере обязана своим происхождением именно космическим лучам. Выше... Выше они бессильны, так как мала плотность нейтральных частиц.

Итак, источники ионизации в D-области выше 85 км и ниже 65 км известны. А кто же отвечает за поддержание ионизации в основной части D-области между 65 и 85 км? Вот на этом-то "участке фронта" и разгорелись основные бои.

Для решения проблемы нам нужен источник (излучение или потоки частиц), который без существенного поглощения проникает на высоты 70 – 80 км. Солнечное излучение короче 1000 Å мы уже рассмотрели. Оно не может проникнуть так глубоко в атмосферу. Излучение с λ>1000 Å? Но оно маломощно для наших целей. Один квант этого излучения несет слишком мало энергии (меньше 12 эВ), чтобы оторвать электрон от молекулы азота или кислорода, из которых на 99% состоит атмосфера на этих высотах. (Напомним, что потенциал ионизации 02 и N2 составляет соответственно 12 и 15 эВ). Значит, единственная надежда – поиск не основной, малой составляющей, которая бы не была столь привередлива, как азот и кислород, и поддалась бы воздействию более мягкого излучения. Такая компонента нашлась. Это окись азота NO, потенциал ионизации которой равен 9,6 эВ. Разница с 02 вроде бы и не очень большая, но какая принципиальная! Чтобы оторвать электрон от нейтральной молекулы NO, хватает энергии кванта излучения в линии Lα (λ =1216 Å). Один квант этого излучения несет энергию около 10 эВ (т. е. чуть-чуть больше, чем необходимо для ионизации молекулы NO, но совершенно недостаточно для ионизации молекулы 02 или тем паче N2), причем общее количество этих квантов, или интенсивность линии, очень велико и составляет около 3×1011 на квадратный сантиметр в секунду. Это большое число. Оно больше, чем полное количество квантов в области длин волн короче 1000 Å, ответственное, как мы знаем, за ионизацию всей ионосферы выше 90 – 100 км. Никаких неприятностей с поглощением у Lα тоже нет. Это излучение проникает почти без поглощения в столь волнующую нас область 70-80 км.

Получается, что подходящий ионизующий агент найден. Найдена и компонента, которая готова ионизоваться под действием этого агента. Вроде бы есть хороший источник ионизации: Lα плюс окись азота. В чем же, собственно, проблема? В количестве NO.

Проблема окиси азота тесно связана со многими обсуждаемыми здесь вопросами. Мы поговорим о борьбе мнений по поводу количества NO в следующей главе, однако частично коснуться этого мы должны уже сейчас.

Для простоты рассмотрим одну какую-нибудь высоту, скажем, 80 км. (Для других высот – 70, 75 или 85 км – проблемы принципиально останутся теми же, только сдвинутся все цифры). На этой высоте для поддержания дневной ионосферы необходимо иметь примерно 1 – 10 актов ионизации в 1 см3 в 1 с. Как получены эти цифры, станет ясно из дальнейшего. Такая скорость ионизации q при заданном потоке излучения в линии Lα (опять же для простоты станем считать его хорошо известным и неизменным во времени) на рассматриваемой высоте требует концентрации окиси азота порядка 107– 108 см-3. Много это или мало?

В этом и есть суть проблемы. Как увидим в следующей главе, именно вокруг этих величин и крутятся экспериментальные оценки количества NO в D-области, колеблясь от 106 до 109 см-3. Ясно, что наша проблема источника ионизации очень зависит от этих цифр. Если [NO]≈106 см-3 и меньше, как давали первые теории и эксперименты, ионизация окиси азота является слабым процессом и проблема источника ионизации на высотах 65 – 85 км встает во весь рост.

Именно эта ситуация подтолкнула ученых в середине шестидесятых годов к поискам новых путей поддержания ионизации в средней части D-области. Поскольку казалось, что все возможности электромагнитного излучения Солнца уже исчерпаны, обратились к потокам корпускул. Могут ли потоки энергичных заряженных частиц проникать в область D и вызывать там ионизацию? Выяснилось, что могут. И наиболее вероятный кандидат для этого – электроны с энергиями в десятки килоэлектронвольт. Такие электроны должны свободно проходить через более высокие слои атмосферы и тратить свою энергию (в основном на ионизацию) как раз на высотах 60 – 80 км. Дело лишь в том, существуют ли достаточные потоки таких электронов в атмосфере.

Некоторое время вопрос этот оставался открытым к соответственно оставалась нерешенной проблема ионизации области D. Затем провели измерения на ракетах (а это, конечно, далеко не просто) и получили, что потоки электронов с энергиями в десятки килоэлектронвольт существуют, но... их интенсивность в спокойных условиях на средних широтах недостаточна для поддержания ионосферы. На высоте 80 км, например, они способны обеспечить скорость ионизации около 0,1 акта см-3×с-1, а нужно, как мы знаем, 1 – 10 актов см-3×с-1.

Значит, в чистом виде идея не прошла. Но она, как и многие идеи такого рода, не была бесплодной. Потоки электронов указанных энергий признаны основным источником ночной ионизации в области D, когда отсутствует солнечное излучение. Эти потоки важны и для объяснения ионизации на высотах 60 – 80 км в возмущенных условиях, т. е. в полярной ионосфере и во время геомагнитных бурь в средних широтах. В этих случаях потоки электронов, тесно связанные с магнитным полем Земли, могут возрастать в десятки и сотни раз, что, видимо, и объясняет возрастание ионизации в D-области во время таких возмущений.

Американские ученые Хантен и Мак Элрой предложили еще один механизм ионизации в области 65 – 85 км, о котором ранее не думали. Мы знаем, что излучение с λ>1000 Å не в состоянии ионизовать обычную молекулу азота или кислорода – не хватает энергии кванта. Ну а если молекула необычная? Если она находится в возбужденном состоянии, т. е. сама несет некий запас энергии? Оказывается, в этом случае энергия кванта, способного ионизовать такую молекулу, может быть меньше, так как дефицит покрывается за счет внутренней энергии возбужденной молекулы.

Именно на этом простом принципе построена идея Хантена и МакЭлроя. В солнечном спектре есть интервал длин волн 1027 – 1118 Å, излучение которых относительно легко проникает на высоты области D. Само по себе это излучение не может ионизовать ни О2 ни N2 – не хватает энергии. Но от энергии кванта этого излучения (в среднем 11,5 эВ) до порога ионизации молекулы кислорода (около 12 эВ) относительно недалеко. Разница составляет менее 1 эВ. Чтобы ее компенсировать, нужна молекула О2, сама запасшая примерно такую энергию. Для этой роли вполне подходит молекулярный кислород, возбужденный в состояние 1Δg. He вдаваясь сейчас в детали, отметим, что энергия возбуждения для состояния 1Δg, т. е. энергия, которую запасает молекула кислорода, находясь в этом состоянии, чуть меньше 1 эВ. Вполне достаточно, чтобы покрыть дефицит и "поддаться" ионизации излучением 1027-1118 Å.

Роль описанного механизма в образовании области D зависит, естественно, от количества окиси азота. Мало NO – слаб механизм N0 плюс Lα, значит, ионизация О2 (1Δg) выходит на первое место. Много окиси азота – ионизация О2 (1Δg) играет более скромную роль.

По современным представлениям, окиси азота все-таки "много"– как раз те 107 – 108 молекул на кубический сантиметр, которые необходимы, чтобы объяснить ионизацию D-области механизмом N0 плюс Lα.

Однако, какова бы ни была роль ионизации молекул О2(1Δg) в общем ионизационном бюджете на высотах 65 – 85 км, этот механизм является в дневное время основным поставщиком ионов О2+, тогда как ионизация в линии Lα способна порождать лишь ионы N0+. Как мы увидим ниже, вопрос о том, какие именно ионы рождаются в первичном акте ионизации, может быть очень важен для понимания всего дальнейшего цикла ионных превращений.

Все, о чем мы говорили в этом параграфе, справедливо для, так сказать, нормальных условий, т. е. для области D в дневное время не в полярных районах и без особых возмущений. Ночная среднеширотная область D изучена пока плохо. И причина лежит прежде всего в трудностях измерений. Ведь ночью концентрации ионов во всем интервале высот 50 – 90 км много меньше (в 10 – 100 раз), чем днем, а концентрации электронов ниже некоторого уровня практически равны нулю. В этих условиях все трудности экспериментального характера, упомянутые в начале главы, возрастают во сто крат. Соответственно мы очень плохо представляем себе и фотохимию ночной области D. Ясно лишь, что основным кандидатом на роль главного источника ионизации являются потоки электронов, о которых .мы уже говорили выше. Так ли это, достаточно ли энергии этих потоков для поддержания ночной области D или, может быть, нужны какие-либо дополнительные источники вроде предложенной индийскими учеными ионизации коротковолновым излучением звезд? Это вопросы, над которыми специалисты по аэрономии работают сегодня.

Перейдем теперь к возбужденной D-области. Во время солнечных вспышек электронная концентрация на высотах 70 – 90 км возрастает в десятки, а иногда и в сотни раз. Не вызывает особых сомнений, что указанный эффект связан с сильным возрастанием интенсивности рентгеновского излучения Солнца во время вспышки. Эта интенсивность (особенно для самой жесткой, т. е. самой коротковолновой, части спектра) при сильной вспышке может увеличиться в тысячи раз и более. При этом, естественно, во много раз увеличивается проникновение рентгеновских лучей в область D, и они становятся главным источником ионизации на высотах 70 – 80 км, где в обычных условиях они "тушуются" на фоне более сильных механизмов NO плюс Lα и О2(1Δg) плюс излучение 1027-1118 Å.

Последнее обстоятельство крайне важно для изучения физики области D. Ведь рентгеновское излучение умеют достаточно надежно измерять с помощью искусственных спутников. И механизм ионизации таким излучением не требует присутствия экзотических компонент (NО или 02 (Å)) – он легко ионизует основные атмосферные невозбужденные компоненты азот и кислород. Что означает: в случае вспышки мы можем иметь достаточно точные и надежные величины скорости ионизации q для тех высот, где в обычных условиях в силу трудностей, описанных выше, таких величин пока нет. Как удается использовать этот факт, мы увидим ниже.

Рентгеновское излучение

Другой вид возмущения, характерный только для высокоширотной области D, – так называемое поглощение в полярной шапке. Это возмущение производят протоны высоких энергий, приходящие к Земле от Солнца. Магнитное поле Земли направляет такие протоны вдоль силовых линий в околополюсные зоны, где они и вторгаются в верхнюю атмосферу. Обладая высокой энергией (десятки миллионов электронвольт), протоны без особых эффектов проходят верхнюю часть ионосферы и резко увеличивают ионизацию на высотах D-области. И опять, как и в случае солнечных вспышек, важным является то обстоятельство, что ионизация протонами не зависит ни от N0, ни от О2 (рентгеновское излучение ), ни от других малых компонент – протоны ионизуют все частицы (в том числе и основные – N2 и О2), так сказать, невзирая на лица.

Вот как обстоит дело с источниками ионизации. Но знать источники (и даже скорости) ионизации еще не достаточно, чтобы понять поведение данной области ионосферы. Ионы и электроны, рожденные в первичном акте ионизации, оказываются затем вовлеченными в сложную сеть фотохимических процессов: реакции образования ионов-связок, рекомбинационных процессов и реакции с участием отрицательных ионов.

Не связывайтесь с ионами-связками!

Ох уж эти мне связки! Право, если бы от ученых, занимающихся той или иной проблемой, зависело, какие вопросы должны в эту проблему входить, стоило бы посоветовать специалистам по области D: "Не связывайтесь с ионами-связками!" Так спокойно было с ионизационно-рекомбинационным циклом процессов, пока в нем участвовали только обычные ионы. А со связками не оберешься хлопот!

Но совет советом, а эти самые ионы-связки так плотно вошли в физику D-области, что изучение последней без них немыслимо. Приходится все-таки ими заниматься, со всеми вытекающими отсюда трудностями...

Первые успешные измерения ионного состава (мы говорим пока только о положительных ионах!) в области D были проведены с помощью масс-спектрометра американским ученым Нарциси более 10 лет назад. И дали эти измерения весьма неожиданные результаты. Оказалось, что ниже 82 км (граница получилась довольно четкая) основными ионами являются не обычные молекулярные ионы N0+ (30 а. е. м., расшифровывается – атомных единиц массы) и О2+ (32 а. е. м.), а ионы с массовыми числами 19 а. е. м., 37 а. е. м., 55 а. е. м. и т. д. Что же это за ионы?

"Паспорта" этих ионов расшифровали не сразу. И далеко не сразу поверили в реальность их существования в ионосфере. Всегда ведь есть опасность, что то или иное химическое соединение может занести в верхнюю атмосферу сама ракета, на которой установлен масс-спектрометр. И мы будем напрасно ломать голову, объясняя природу это o соединения в атмосфере, а оно к атмосфере-то и отношения не имеет, а имеет отношение к какой-нибудь там смазке. Такое тоже бывает.

Но в случае данных Нарциси все оказалось не так. Результаты подтвердились в последующих экспериментах, скептицизм рассеялся, и стали искать расшифровку химических паспортов. Нашли. Выяснилось, что эти ионы представляют собой сочетание протонов и молекул воды: 19 а, е. м. = Н3О+ = Н+(Н20); 37 а. е. м. = Н502+ = Н+(Н20)2; 55 а. е. м. = Н702+ = Н+(Н20)3 и т. д. Получается последовательность ионов типа. Н+(Н20)n, где n=1, 2, 3, ..., причем, как мы видим, эти ионы состоят из протона (иона водорода) и связанных с ним одной или нескольких молекул воды. Отсюда и название: протоногидратные связки, или просто ионы-связки.

Позднее были обнаружены ионы-связки с другими составляющими, помимо Н+ и Н20,– NO+(H20), NO+(C02), NO+×N2 и т. д., затем стали обнаруживать совсем тяжелые ионы-связки типа Н+(Н20)n и NO+(H20)n с высокими (порядка 5 – 7) n и соответственно массовыми числами больше 100 а. е. м., а потом...

Потом возникло сомнение в том, что вообще все эти ионы – действительно те ионы, которые существуют в D-области. Появилось подозрение, что на самом деле в ионосфере на высотах 60 – 70 км присутствуют в основном очень тяжелые ионы-связки с массовыми числами, возможно, в сотни атомных единиц массы, которые в силу своей неустойчивости легко разрушаются в процессе измерений на составляющие их молекулы и значительно более простые ионы Н30+, Н502, NO+H2О и т. д., которые масс-спектрометр и регистрирует. Стали поговаривать даже о том, что ионная химия области D должна рассматриваться не на обычном молекулярном уровне, а на уровне заряженных пылинок или кристаллов, в которые превращаются ионы в процессе образования все более тяжелых и сложных связок.

Область D

Признаемся сразу, что этот вопрос в настоящий момент не решен до конца. Одни масс-спектрометристы целиком доверяют полученным концентрациям отдельных ионов-связок, другие считают, что разрушение происходит и в атмосфере доминируют тяжелые ионы-связки, третьи хранят осторожное молчание.

Что же делать в такой ситуации? Как использовать для изучения физики D-области богатейший материал масс-спектрометрических экспериментов, если неизвестно, что в этих экспериментах измерялось? Остается единственная возможность – не заниматься концентрациями отдельных ионов-связок, но рассматривать на каждой высоте суммарное количество связок и сравнивать его с количеством обычных ионов NО+ и О2+.

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)!

Концентрация электронов

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+.

Ионные связки

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 αNO+, αО2+, αсв+. 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).

Абсолютная величина

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

Тройная реакция. Формула 32

и поскольку скорость этой реакции α [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 λ, 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 (λ очень мало). Мы уверены, что на 50 – 60 км отрицательные ионы доминируют над электронами (λ>>1).

Но вот что происходит на этих 40 – 50 км? Где та высота, на которой сравниваются концентрации отрицательных ионов и электронов (λ =1)?

Много лет ученых занимает эта проблема. Много попыток сделано ее решить. Много в результате получено кривых распределения параметра λ 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

Условие нейтральности. Формула 33

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?

Оказывается, зондовые измерения свидетельствуют в пользу высоких величин λ в области D. Если мы сопоставим средние значения полученных зондовым методом величин [Х+] со средними значениями электронной концентрации, скажем, для дневных условий, то получим (см. рисунок), что [Х+] заметно превышает [е] до высот 85 – 90 км. Но это означает, что практически во всей области D доминируют отрицательные ионы и величина λ много больше 1. Так, получается, что на высоте 80 км λ≈10 (электронов на порядок меньше, чем отрицательных ионов), на высоте 75 км К колеблется от 13 до 62 (!) и т. д.

Зондовое измерение

Так обстояло дело несколько лет назад. Высокие величины [Х+] и X были приняты многими учеными и обсуждались даже возможные процессы образовавания столь большого количества отрицательных ионов. Однако в последние годы концепция высоких λ терпит поражение. С одной стороны, все, что мы знаем о физике D-области, говорит против высоких концентраций Х– выше 70-75 км. Целый ряд косвенных оценок (например, по эффективному коэффициенту рекомбинации) показывает, что днем в невозмущенной ионосфере концентрации электронов и отрицательных ионов сравниваются (λ≈1) на высоте около 75 км. В силу довольно быстрого падения величины λ с ростом высоты это означает, что днем в спокойных условиях уже на 80 км роль отрицательных ионов мала (λ<<1).

В то же время на высоте 70 км отрицательные ионы уверенно доминируют (λ>1). Высоты 80 и 70 км обычно используют как своего рода характерные высоты в фотохимии D-области без учета отрицательных ионов (так мы делали в предыдущем параграфе) или с учетом таковых (так мы будем делать здесь и в следующем параграфе).

Пошли навстречу концепции низких X и экспериментаторы. В последние годы с помощью усовершенствованной зондовой методики стали получать более низкие величины (Х+], не дающие такого сильного различия между [Х+] и [е], а значит, и не требующие таких высоких λ.

Впрочем, относительно высокие величины λ возможны в ночное время, в сумерках и во время затмений. Поскольку в этих условиях разрушение отрицательных ионов идет медленнее, чем днем, возможно накопление Х– до более высоких, чем днем, концентраций. Так, в сумерках на высоте 80 км величина λ может быть близка к 1, а ночью и во время полной фазы солнечного затмения может составлять даже несколько единиц.

Мы видим теперь, как обстоит дело с общим количеством отрицательных ионов, т. е. с абсолютными концентрациями Х– в области D. Но кроме общего количества хорошо бы еще знать и химический состав отрицательных ионов.

Увы, дело с измерением состава отрицательных ионов обстоит плохо. Ко всем трудностям исследования ионного состава в случае положительных ионов добавляется еще то, что теперь речь идет об отрицательных ионах, а измерять концентрации тяжелых отрицательных частиц труднее, чем положительных.

Тем не менее первые масс-спектрометрические эксперименты по измерению состава отрицательных ионов были проведены, и даже не одной, а сразу двумя группами ученых – в ФРГ (Арнольд и Кранковский) и в Соединенных Штатах (Нарциси). Что же они обнаружили?

Обнаружили очень сложную картину. Гораздо более сложную, чем ожидали. Было очевидно, что в D-области должны быть ионы О2– поскольку они образуются в первичной реакции (32). Ожидали в небольшом количестве ионы О-. Можно было ожидать и появления таких ионов, как NO2-, NO3-, CO3-.Ho кто мог предсказать существование в ионосфере ионов НСО3-, 02-(Н2О)2, N02-(HN02) и т. д.! В таблице приведен список всех ионов (с указанием массового числа и вероятного химического отождествления), зарегистрированных в одном из экспериментов группы ФРГ. Как видим, коллекция более чем экзотических ионов весьма внушительная.