Текст книги "Популярная аэрономия"

Автор книги: А. Данилов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 10 страниц)

Состав отрицательных ионов, обнаруженных в ионосфере

Дело, однако, не только в необычности и сложности обнаруженных отрицательных ионов. Плохо то, что нет повторяемости, воспроизводимости результатов. Измерения Нарциси дают в основном другие массовые числа (а значит, и другое отождествление) сложных ионов, чем измерения Арнольда и Кранковского. Результаты обеих групп расходятся и в том, какие ионы доминируют на каких высотах. Есть различие и в высотном ходе. У Арнольда и Кранковского выше 75 – 77 км наблюдается падение концентраций отрицательных ионов, а Нарциси видит слои отрицательных ионов на высотах 88 – 92 км. Наконец, нет единства даже в вопросе о том, все ли зарегистрированные отрицательные ионы относятся к атмосфере. Например, ионы с массовыми числами 35 и 37 немецкая группа отождествляет с изотопами хлора и считает ионами атмосферного происхождения (при этом возникает очень интересная проблема – откуда этот хлор взялся на 60 – 70 км), тогда как Нарциси относит эти ионы к загрязнению ракетой.

Словом, картина пока довольно безрадостная. Нет согласия между экспериментаторами, значит, нет надежных экспериментальных данных, и мы не имеем ни достоверной картины состава отрицательных ионов, ни даже опорных точек, чтобы проверить теоретические модели Х-.

Разобравшись в том, как обстоит дело с экспериментальными данными, уместно теперь задать вопрос, а что гласит теория образования отрицательных ионов -можем ли мы что-либо добавить на основании фотохимии отрицательных ионов?

Признаемся сразу, что проблема фотохимии отрицательных ионов пока далека от своего решения. Многие реакции еще не исследованы в лаборатории. А многие даже неизвестны. Ведь в существующие сегодня схемы не включаются некоторые ионы (в основном тяжелые ионы-связки), приведенные в таблице. Но эти ионы существуют, а значит, существуют и соответствующие реакции их образования и гибели. Просто мы о них пока ничего не знаем. Тем не менее интенсивно ведутся попытки построить теоретические схемы преобразования отрицательных ионов и понять, какие из наблюдаемых экспериментальных фактов эти схемы могут объяснить.

Мы рассмотрим теперь возможности фотохимической теории отрицательных ионов. Как и в случае положительных ионов, мы опишем упрощенную схему, позволяющую наиболее острые вопросы обсудить, избегая громоздких схем со множеством реакций, требующих детальных пояснений.

В нашей схеме будут фигурировать наряду с электронами два типа отрицательных ионов: "ионы кольца" и "стабильные ионы". Эти названия были введены несколько лет назад автором по следующим причинам. Ионы первой группы очень быстро переходят друг в друга по ионно-молекулярным реакциям (например, О2– – в О3-; и в О4; О3– – в СО3-; СО– – снова в О2– и т. д.). При этом все время идут быстрые реакции прилипания и отлипания, поэтому электроны как бы движутся по кругу: от свободного состояния к иону О2-, затем О3-, затем к СОГ, затем снова к О2– и вновь к свободному состоянию. При этом указанные реакции столь эффективны, что именно они определяют время жизни (а следовательно, и концентрации) ионов кольца, а, скажем, процессы взаимной нейтрализации на их концентрации не влияют. Как показывают оценки, концентрации таких ионов, по крайней мере в дневной области D, малы – не они выступают в роли основных отрицательных ионов, однако их роль как промежуточного этапа всего ионизационно-рекомбинационного цикла процессов очень велика.

Стабильные ионы названы так потому, что для них, видимо, нет столь быстрых процессов перехода друг в друга или отделения электрона (отлипания). Основным процессом гибели для них является взаимная нейтрализация с положительными ионами. Стабильные ионы должны составлять подавляющее большинство отрицательных ионов в D-области. Наиболее вероятные кандидаты в стабильные ионы – NO2-, NO3– и отрицательные ионы-связки, о которых пока известно мало.

В нашу схему включены четыре принципиальных процесса. О прилипании мы уже говорили. Оно идет в основном по реакции (32). На всякое прилипание должно существовать отлипание. Есть оно и в нашей схеме. Его обеспечивают два очень важных процесса отлипания от ионов О2– в реакциях с атомным кислородом и возбужденными молекулами кислорода.

Здесь уместно сделать маленькое отступление. Что значит "отлипание"? Это значит отрыв электрона от нейтральной частицы. Но электрон в отрицательном ионе не просто приложен к нейтральной частице, он с ней связан некоторой энергией. Эта энергия связи называется электронным сродством S данной нейтральной частицы и выражается обычно в электронвольтах. Следовательно, чтобы произошло отлипание, нужно затратить энергию, равную S. Но где ее взять? Если отлипание происходит под действием излучения (фотоотлипание), необходимую энергию обеспечивает квант излучения. В случае включенной в схему реакции

Формула 34

для отрыва электрона используется энергия возбужденной молекулы О2* (в правой части реакции возбужденных частиц нет – энергия ушла на разрушение О2-).

Ну а в реакции С2– с О? У атома О ведь нет дополнительной энергии. Оказывается, в этой реакции

Формула 35

отрыв электрона происходит за счет энергии диссоциации молекулы О3.

Действительно, ведь, чтобы разрушить молекулу озона на О2 и О, надо затратить энергию. А при создании (ассоциации) О3 эта энергия должна выделиться. Вот она-то и расходуется на отлипание электрона, а вся реакция носит поэтому название ассоциативного отлипания.

Итак, "вернемся к нашим баранам". Следующий тип процессов в рассматриваемой схеме – ионно-молекулярные реакции. Они аналогичны ионно-молекулярным реакциям положительных ионов, хорошо нам теперь известным, и играют в схеме ионных преобразований примерно такую же роль, т. е. в конечном итоге переводят первичные ионы ОГ во вторичные, более стабильные ионы (NО2-, NО3– и т. д.), которые участвуют в процессах рекомбинации и образования ионов-связок. И наконец, последний тип процессов – взаимная рекомбинация положительных и отрицательных ионов. Наибольшие трудности связаны с поиском ионно-молекулярных реакций, эффективно переводящих ионы кольца в стабильные ионы. В качестве решения проблемы предложены две похожие реакции:

Формула 36

Формула 37

Их главное достоинство состоит в том, что в них участвует молекулярный азот – основная нейтральная компонента на высотах области D. Их главный недостаток в том, что этих реакций никто никогда не регистрировал в лаборатории. Но достоинство в данном случае оказывается сильнее. Молекулярного азота так много, что для нашей схемы достаточно, чтобы реакции (36) и (37) шли с очень низкими константами скорости (≈10-14-10-15 см3×с-1). А реакции отрицательных ионов с такими низкими константами в лаборатории пока измерять не могут – это ниже чувствительности обычных лабораторных методов. Так что приходится принять реакции (36) и (37) "на веру", исходя из логики самой схемы. Верно ли наше предположение, должно ответить будущее.

Таково на сегодня положение дел с фотохимической теорией отрицательных ионов. Много неясностей, есть элемент произвола, есть белые пятна (например, реакции образования ионов-связок). Возникает естественный вопрос: ну а есть ли основания все же об этой схеме говорить? Есть ли хоть какие-нибудь экспериментальные подтверждения ее разумности?

Мы знаем, что на масс-спектрометрические измерения ионного состава в данном случае надеяться нечего. Слишком неясно все у самих экспериментаторов. Но есть другие экспериментальные факты, которые косвенно поддерживают разумность отдельных элементов нашей схемы. Самый интересный из них связан с отождествлением основного отрицательного иона в области D. Эта проблема описана в книге "Химия, атмосфера и космос" под рубрикой "Загадочный икс минус". Из наблюдений во время поглощения в полярной шапке следует, что основной отрицательный ион на высотах 60 – 80 км должен иметь высокое электронное сродство, больше 3 эВ. И следовательно, ни 07, который в те времена считался главным претендентом на роль основного иона, ни ряд других ионов (О4-, О3-, СО4-) этому требованию не удовлетворяют. В нашей схеме этой проблемы нет. Основными ионами (ионами с наибольшей концентрацией) являются ионы NО2– и NО3-, а их электронное сродство, согласно лабораторным измерениям, как раз достаточно высоко (3,5 – 5 эВ).

"Другой экспериментальный факт – соотношение день-ночь. Ночью на фиксированной высоте λ выше, чем днем (это известно надежно). Почему? Схема дает ясный ответ. Потому, что ночью резко уменьшается концентрация О и О2* (это тоже известно надежно), а именно эти нейтральные компоненты отвечают в нашей схеме за отлипание электронов. Меньше [О] и [О2*]→ слабее разрушение отрицательных ионов– больше [Х-] и меньше [е]– выше величины λ.

В книге "Химия, атмосфера и космос" описана еще одна загадка (в то время) отрицательных ионов в области D. Она тоже связана с отлипанием электронов. Из экспериментов во время поглощения в полярной шапке давно установили, что отлипание электронов происходит с высокой эффективностью, которая в 1000 раз выше, чем эффективность известного тогда процесса отлипания в реакции О2– с молекулой О2 (невозбужденной). В этом и состояла проблема в 1968 году. Наша сегодняшняя схема полностью решает эту проблему. Отлипание от О2– в реакции с возбужденными О2 и ассоциативное отлипание с атомами О вполне обеспечивают наблюдаемую во время поглощения в полярной шапке скорость отлипания электронов.

Последний пример хорошо иллюстрирует одно важное обстоятельство. Не будь проблемы отлипания в D-области, вряд ли стали бы так активно исследовать в лаборатории реакции отлипания от 07. И возможно, еще долго науке ничего не было бы известно о таких процессах, как 02-+О2* или О2-+О, равно как и о ряде других процессов, позволивших построить рассмотренную здесь схему. А сейчас, поскольку в ракетных экспериментах обнаруживают отрицательные ионы с большой массой, активно ведутся поиски процессов связкообразования с участием отрицательных ионов. Таким образом, аэрономические проблемы физикохимии отрицательных ионов в области D стимулируют развитие экспериментальных и теоретических исследований ионной кинетики. И в этом, так сказать, положительная сторона существования в земной ионосфере отрицательных ионов. Отрицательные же стороны должны быть очевидны для всех, кто прочтет эту главу...

И вновь о коэффициенте рекомбинации

Мы уже знаем о "важном параметре с длинным названием" – эффективном коэффициенте рекомбинации α'. До сих пор он интересовал нас только выше 100 км, в областях Е и F. Настало время поговорить об этом параметре в сложных условиях D-области. В том, что условия сложные, убеждает все сказанное ранее в данной главе. Насколько при этом все непросто и с эффективным коэффициентом рекомбинации, должен показать этот параграф.

Прежде всего, сложности начинаются с обозначений. Выше 100 км эффективный коэффициент рекомбинации обозначают α' или в худшем случае (если есть проблемы с печатанием штриха) αэф. И никому не придет в голову называть его, скажем, φ или k.

А вот в области D существуют два обозначения: α' (или, что то же, αэф) и ψ. Но дело, конечно, не в самом факте существования двух букв – символов для одного параметра (это-то пережить можно!), а в том, что разные авторы вкладывают разный смысл в само понятие "эффективный коэффициент рекомбинации" и связывают различие в смысле с различием в обозначениях. Чтобы объяснить это подробнее, вернемся на время к простенькой математике уравнения непрерывности.

Уравнение непрерывности для электронов в случае отсутствия отрицательных ионов и при пренебрежении динамическими процессами имеет вид

Формула 38

Здесь за α' стоит совокупность процессов диссоциативной рекомбинации, приводящих к гибели заряженных частиц.

В области D время жизни заряженных частиц за счет очень быстрых фотохимических процессов мало. А значит, динамика не может угнаться за фотохимией и в уравнении (38) ее можно не учитывать. Но вот отрицательные ионы... Они-то и порождают, как мы знаем, добрую половину проблем D-области. Как они повлияют на вид уравнения (38)? Ведь теперь существуют уже два процесса гибели заряженных частиц: известная нам диссоциативная рекомбинация и взаимная нейтрализация положительных и отрицательных ионов.

Оказывается, уравнение непрерывности теперь выглядит несколько иначе:

Формула 39

Здесь все обозначения нам знакомы, кроме авз – коэффициента скорости той самой реакции взаимной нейтрализации между Х– и Х+. Уравнения (38) и (39) очень похожи по форме. Разница лишь в том, что в последнем случае перед множителем [е]2 стоят два множителя, а не один. И если один из множителей обозначить α', то подобие двух формул будет почти полное. Вот только какой из множителей назвать эффективным коэффициентом рекомбинации и как обозначить? Тут-то и зарыта собака. Одни исследователи, сохраняя единство формы записи уравнения непрерывности для всех ионосферных областей, называют эффективным коэффициентом рекомбинации и обозначают α' все выражение (1+λ) (α*+λαвз), стоящее перед [е]2. В этом случае, естественно, уравнение (39) просто превращается в уравнение (38). Другие же исследователи всю величину (1+λ) (α*+λαвз) обозначают ψ, а под α' понимают только(α*+λαвз), причем разные авторы, использующие эти обозначения, не сходятся в том, какой из параметров (α' или ψ)) следует считать (и называть) эффективным коэффициентом рекомбинации. Представляете, какая получается путаница! Чтобы избежать ее по крайней мере на этих страницах, мы будем следовать первой из описанных точек зрения и считать, что эффективный коэффициент рекомбинации α' равен (1+λ) (α*+λαвз).

Покончив для себя с терминологической путаницей, давайте вернемся к физике. О чем говорят нам уравнения (39) и (38)? О том, что в равновесных условиях (d[e]/dt=0) электронная концентрация на заданной высоте в области D должна быть пропорциональна корню квадратному из g. Если, конечно, эффективный коэффициент рекомбинации на этой высоте не меняется с изменением условий. Долгое время так и считали, поскольку по сути своей α должен являться константой, характеризующей данную высоту. Однако новые данные принесли и новые идеи...

Попробовали сопоставить изменения во времени g и [е] на фиксированных высотах (естественно, для этого надо уметь одновременно измерять оба параметра – задача очень непростая!). И, о ужас, получили совсем другую связь между [е] и g, чем ожидалось. Не g∞[e]2 (как дает (39) при d[e]/dt=0 и α' = const), а g∞[e]. И вывод с большой точностью получился одинаковый, хотя разные авторы, проводившие такие сравнения, использовали разные условия и различные наборы данных о g и [е]. Никуда не денешься, для высот 65-85 км получается линейная связь между скоростью ионизации и электронной концентрацией. Как же это увязать с уравнением (38)? Возможность только одна – предположить, что α' не постоянен, а зависит от условий и изменяется (на заданной высоте) примерно обратно пропорционально электронной концентрации (α'∞1/[е]).

Вывод, на первый взгляд, весьма одиозный. Однако, оглядевшись вокруг, ученые нашли этому выводу ряд подтверждений среди других фактов. Например, во время солнечных вспышек.

Известно, что на солнечные вспышки сильнее всего реагирует именно область D. Испущенное во время вспышки мощное рентгеновское излучение относительно свободно проходит основную часть ионосферы, но, поглощаясь на высотах 70 – 90 км, приводит к резкому увеличению ионизации на этих высотах. Сам эффект был известен давно. Но лишь относительно недавно, когда стали контролировать поток рентгеновского излучения Солнца на искусственных спутниках Земли, удалось сделать количественное сравнение степени возрастания g и [е] (большой вклад в это внесли индийский ученый А. Митра и его сотрудники).

Оказалось, что эффективный коэффициент рекомбинации, вычисленный из

Эффективный коэффициент рекомбинации

по наблюденным g и [е], во время вспышки не остается постоянным. Величина α=g/[e]2 падает с развитием эффекта вспышки (см. рисунок) и достигает минимума примерно тогда же, когда наблюдается максимум электронной концентрации. Значит, мы приходим к тому же выводу, что и раньше (но теперь для специфических условий вспышки, где надежность экспериментальных данных выше), – с увеличением [е] падает α'. Значит, изменчивость α' и обратная зависимость его от изменения [е] – факт, видимо, реальный.

Вспышка

Как всегда, обнаружив экспериментальный факт, обратились к теории. Что она может на это сказать? Может ли (и если да, то чем) быть вызвано изменение α' в зависимости от условий? Теория ответила, что этот вопрос должен по-разному решаться на высотах, где есть отрицательные ионы и где их практически нет. Следуя за ней, и. мы рассмотрим вопрос отдельно для верхней и для нижней частей области D, взяв, как мы договорились, в качестве характерных высот 80 и 70 км соответственно.

Итак, 80 км. Отрицательных ионов (по крайней мере, днем) нет – λ≈0. Из всех членов в выражении

Формула 40

остается только α*.

Вполне естественно, эффективный коэффициент рекомбинации определяется константой диссоциативной рекомбинации положительных молекулярных ионов (чему же еще рекомбинировать, если нет отрицательных ионов!). Но каких именно "положительных молекулярных" ионов? Ведь на высоте 80 км наряду с обычными ионами N0+ и О2+ есть и ионы-связки!

Здесь-то и лежит ключ всей проблемы. Ионы-связки, согласно лабораторным данным, рекомбинируют с электронами гораздо охотнее ионов NO+ и О2+, причем чем сложнее связки, тем выше соответствующая константа а*. В пределе при массе ионов-связок около 100 а. е. м. и выше величина α* стремится к 10-5 см3×с-1. Напомним, что в реальной D-области существуют, скорее всего, именно сложные ионы-связки, поэтому можно эту величину α*св =10-5 см3×с-1 принять для наших рассуждений как характерную величину константы диссоциативной рекомбинации ионов-связок.

Ну а величины α* для обычных ионов обсуждались в предыдущих главах. С учетом температуры области D величина α* для нормальных ионов будет равна примерно 5×10-7 см3×с-1. Разница в константах диссоциативной рекомбинации нормальных ионов и ионов-связок, как видим, очень велика – в 20 раз.

Вот где возможное объяснение изменчивости α' на 80 км! Оно – в изменчивости ионного состава, т. е. соотношения между ионами-связками и нормальными ионами. Захватят власть ионы-связки ([св+]≈[Х+])– и эффективный коэффициент рекомбинации определяется диссоциативной рекомбинацией этих ионов α'≈α*cв =10-510-5 см3×с-1. Доминируют нормальные ионы ([NO+ + O2+]=[Х+])– и α'≈α*нор=5×10-7 10-5 см3×с-1. Между этими крайними случаями возможны, конечно, все промежуточные. Насколько реальна подобная изменчивость, мы уже знаем, поскольку об этом рассказывалось ранее. Правда, измерить ионный состав D-области во время вспышки пока никто не мог (да и не пытался, вероятно, слишком сложно это – поймать нужный момент). Но вот анализ всех измерений ионного состава в разных условиях нам тут весьма поможет. Ведь этот анализ как раз выявил падение относительного количества ионов-связок f+ с ростом электронной концентрации. Качественно это именно то, что нам нужно. Чем выше [e], тем меньше ионов-связок, а значит, тем меньше α'. И наоборот.

Доминмрывание ионов

Итак, все очень хорошо сходится. И уменьшение g/[e]2 во время вспышек, и линейная связь между g и [е] в верхней части области D объясняются наблюдаемым экспериментaльно изменением ионного состава – уменьшением количества быстро рекомбинирующих ионов-связок при увеличении g и [е]. Это очень важный вывод. Он позволяет теперь всю совокупность данных о g, [e] и ионном составе рассматривать под единым углом зрения, соединить их в одну проблему. Решение проблемы упирается, очевидно, в вопрос о том, почему соотношение между обычными ионами и ионами-связками меняется так, а не иначе. А это в свою очередь связано с поиском путей образования ионов-связок из О2+ и NO+, о чем мы уже рассказывали в этой главе. Таким образом, изучение фотохимических реакций образования ионов-связок становится ключевым моментом для всей проблемы цикла ионизационно-рекомбинационных процессов в верхней части D-области.

Ну а может ли α' на высоте 80 км быть больше 10-5 см3×с-1? Оказывается, может. Но только если в игру вступят отрицательные ионы. Они, как мы говорили, могут играть некоторую роль на этой высоте в сумерках и ночью. Если λ>1, то, согласно уравнению (40), эффективный коэффициент рекомбинации будет в (1+λ) раз больше, чем величина α*. Таким образом, в некоторых случаях не без помощи отрицательных ионов величина а! на высоте 80 км может достигать 10-4 см3×с-1.

Внимательному читателю уже, вероятно, ясно, как должен решаться вопрос о причинах изменения эффективного коэффициента рекомбинации α' в нижней части D-области. Изменением состава положительных ионов тут делу не поможешь. Практически при всех условиях доминируют ионы-связки, поэтому α* в выражении (40) можно считать почти постоянным и равным α*св. Но зато появляется другой фактор, который может изменяться, – λ. Вот его то и обвиняют в наблюдаемой изменчивости α' на высоте 70 км. Конкретно это означает, что во время солнечной вспышки на высоте 70 км величина λ должна (чтобы объяснить уменьшение α') падать примерно в 5 раз.

Следующий естественный вопрос: что же вызывает падение величины Я? Но для ответа на него необходимо построить полную схему преобразования отрицательных ионов. А это, как мы знаем из предыдущего параграфа, дело, увы, пока далекое от завершения...

6. Проблемы нейтральных частиц

Все, о чем шла речь в главах 3 – 5, касалось судьбы заряженных частиц – путей их образования, гибели и взаимной трансформации. Но ведь верхняя атмосфера полна нейтральных частиц. И с ними тоже происходят многочисленные превращения – они образуются и гибнут в фотохимических реакциях, переносятся из одних областей в другие динамическими процессами, возбуждаются и т. д.

И конечно, при этом возникают проблемы, которые по важности и драматизму не уступают самым острым проблемам чисто ионосферной физики.

К сожалению, однако, рассказать о всех этих проблемах в рамках небольшой книги практически невозможно. Переходя к аэрономии нейтральных частиц, мы немедленно сталкиваемся с разнообразием и просто слишком большим количеством различных реакций. Например, в области высот 50 – 100 км при рассмотрении всего цикла процессов в кислородно-азотна-водородной смеси используют обычно систему из более чем 50 фотохимических реакций.

Естественно, описать такую систему сколь-нибудь подробно здесь невозможно. А без описания трудно объяснить и суть ряда проблем. Мы ограничимся поэтому рассказом о трех самых интересных и важных на наш взгляд проблемах, связанных с нейтральными частицами. Две из них (окись азота и атомный азот), как мы увидим ниже, тесно связаны между собой и создают одну большую проблему – пожалуй, наиболее острую и злободневную в современной аэрономии.

Что касается проблемы возбужденных частиц в верхней атмосфере, то это в значительной мере все еще "terra incognita". В течение последних пяти лет лишь начали понимать, какие возможности таит в себе физикохимия возбужденных частиц для решения ряда насущных вопросов физики верхней атмосферы и особенно ионосферной физики. И конечно, за этим направлением аэрономии большое будущее.

Что же касается ряда вопросов аэрономии нейтральных частиц, не нашедших здесь отражения (диссоциация кислорода, химия водородных соединений, образование "горячих" атомов гелия и др.), автор отсылает читателей к своей книге "Химия, атмосфера и космос" или к более поздним и более серьезным публикациям, список которых приведен в конце этой книги.

Эта неприятная окись азота

Если, как мы говорили, из всех ионосферных областей больше всего хлопот и экспериментаторам, и теоретикам доставила область D, то среди нейтральных частиц первенство по "вредности", несомненно, держит окись азота.

Трудности, возникающие при изучении окиси азота в верхней атмосфере, очень похожи на трудности в постижении природы и поведения области D. Точно так же экспериментальный подход упирается в технические проблемы, а взгляды на теорию претерпевают в течение последних 10 – 15 лет непрерывные изменения, поэтому не удается построить надежных теоретических моделей.

Посмотрим подробнее, в чем же тут дело. Земная атмосфера, как известно, представляет собой смесь в основном азота и кислорода. В такой кислородно-азотной смеси азотные и кислородные частицы, взаимодействуя между собой, неизбежно должны образовывать смешанные продукты – различные окислы азота. Последние обладают большой химической активностью и поэтому вновь легко взаимодействуют с другими атмосферными составляющими– О, O2, N и т. д., что приводит к целой системе сложных фотохимических превращений. Так начинается вся эта "кухня" с окислами азота.

Пути образования NO

Но здесь есть одна тонкость. Молекулярный азот, составляющий большую часть атмосферного газа ниже 100 км, очень инертен. Он ленив, он не хочет вступать ни в какие соединения. Если бы азот на всех высотах в атмосфере существовал только в форме молекул, описанных в этом параграфе, проблем просто не существовало бы, так как не существовало бы практически ни N0, ни других азотных окислов. Но все дело в том, что азот, хотя и слабо, подвержен диссоциации. Молекула N2 под воздействием внешних агентов может распадаться на два атома N, хотя и гораздо менее охотно, чем молекула кислорода. И вот эти порожденные диссоциацией атомы N своей активностью с лихвой компенсируют инертность их родителя – N2. Они готовы взаимодействовать с чем угодно, и с большой эффективностью. Именно они – то и "раскачивают" достаточно инертную систему N2 + O2 и служат инициаторами и активными участниками сложной и разветвленной цепи реакции, в которой замешана интересующая нас окись азота. Действительно, посмотрите на рисунок, на котором представлена примерная схема процессов, происходящих в кислородно-азотной смеси, когда в ней появляется атомный азот. Что и говорить – запутанная картина! Трудно даже понять, что из чего получается, и что во что переходит. Ясно только, что окись азота вовлечена в эту схему очень сильно. И начинать теоретическое изучение распределения N0 надо с процесса диссоциации N2, поскольку атомы N, как мы уже знаем, заваривают всю эту кашу. Но посмотрите вновь на рисунок. Одним из путей образования N0 является реакция О2 с атомами азота

Формула 41

а одним (и весьма важным) из путей гибели – реакция соединения с N

Формула 42

Значит, N и N0 оказываются тесно связанными. Мы рассматриваем здесь только процессы с участием нейтральных частиц. А когда к делу подключатся еще и заряженные частицы, связь между окисью азота и атомным азотом становится еще более тесной и сложной. Мораль проста: невозможно всерьез обсуждать отдельно фотохимию N и N0, приходится говорить о всем цикле процессов с участием азота и его окислов. В этом-то и состоит основная трудность проблемы N0. Решение этой проблемы исторически идет по пути своего рода соревнования между измерениями количества окиси азота и усовершенствованием теории указанного цикла процессов.

Первыми рассмотрели схему реакций с участием N и N0 классики аэрономии англичанин Бейтс и бельгиец Николе. Они получили, что в области D концентрации окиси азота относительно малы и не превосходят 106 молекул на кубический сантиметр. Такой вывод был очень важен, поскольку он показывал, что N0 не может играть существенной роли в образовании области D, Это привело к проблеме дополнительного источника ионизации, описанной в предыдущей главе. Но был ли такой вывод правильным?

Поначалу казалось, что это так. Первое экспериментальное определение количества N0, сделанное японскими учеными, подтвердило выводы теории: количество окиси азота ниже 85 км не превышает 106 см-3.

Здесь следует сделать небольшое отступление – сказать о трудностях измерения N0 в верхней атмосфере. Мы знаем, что основной метод исследования состава атмосферы – масс-спектрометрический. Но окись азота, как бы много внимания ей ни уделяли ученые, является малой составляющейатмосферы. Это означает, что ее концентрации на несколько порядков меньше концентраций основных составляющих атмосферного газа – молекулярного азота и кислорода. Например, на высотах области D, о которых пока в основном ведется наш рассказ, на одну молекулу N0 приходится по меньшей мере 106 (миллион!) частиц N2 и О2. Попробуйте из миллиона частиц выловить одну молекулу N0! Масс-спектрометрам пока это еще не под силу. Да и работают масс-спектрометры ниже 100 км, как мы знаем, весьма неохотно и требуют специальных ухищрений в виде откачных устройств, охлаждения и т. д. Значит, масс-спектрометрический путь определения количества N0 не годится. Нужен метод измерения, позволяющий выделять молекулы окиси азота среди большого количества других частиц. Таким методом в принципе является оптический метод.

Каждая частица (атом или молекула) имеет свой особый спектр поглощения (или излучения), свой "оптический паспорт". Нужно только найти характерные черты этого спектра и произвести измерения в соответствующем интервале длин волн. Эти черты были найдены в виде так называемых γ-полос N0 в ближней ультрафиолетовой части спектра (1800 – 2100 Å). Если аккуратно измерить поглощение атмосферы на различных высотах в указанном интервале длин волн (скажем, с помощью фотометра, поднятого на ракете), то его можно пересчитать в концентрации N0, поскольку именно окись азота служит основным поглощающим агентом в этом интервале λ. Такова идея оптического метода. Но, как обычно, между идеей и ее воплощением стоят серьезные трудности. Они связаны в основном с двумя факторами – калибровкой фотометра и учетом фона рассеянного света, т. е. паразитного сигнала, вызванного излучением, попавшим в прибор помимо поглощающего слоя N0.

Эти экспериментальные трудности и приводят к тому, что к каждому конкретному измерению концентрации N0 приходится относиться с определенной осторожностью. До самого недавнего времени считалось также, что именно с этим связаны в большинстве случаев различия в результатах измерений. Мы вернемся к этому в дальнейшем.

В 1959 году группа японских исследователей опубликовала первые экспериментальные оценки количества N0 в верхней атмосфере. Они использовали весь интервал спектра 1800 – 2100 Å и измеряли суммарную концентрацию окиси азота в столбе атмосферы высотой около 25 км. Эти оценки совпали с теоретическими оценками того времени.