Популярная аэрономия

Единственный выход - предположить, что ночью образование заряженных частиц в результате процессов ионизации не прекращается полностью. Но кран "фотоионизация" ночью закрыт, так как Солнце ушло за горизонт. Откуда же пополняется резервуар заряженными частицами? Вывод прост: значит, кроме коротковолнового солнечного излучения, существует дополнительный источник ионизации, который не выключается и ночью. Иначе говоря, есть еще один кран (на рисунке он показан пунктиром), через который непрерывно поступают ионы и электроны. Днем слабая струйка из этого крана незаметна на фоне мощного потока заряженных частиц, образуемых солнечным излучением. Но вот ночью...

Ночью ситуация меняется. Солнце зашло, начинается утекание частиц из резервуара по каналу "рекомбинация". Количество вещества в резервуаре уменьшается, уменьшается и вдруг... стоп. Уменьшение прекратилось, скорость истечения (напомним, что она прямо зависит от количества ионов и электронов) стала сравнима со скоростью натекания из дополнительного крана. Вновь наступило состояние равновесия и вновь выполняются равновесные условия, но уже с ночными значениями [e] и с величиной скорости ионизации g, обусловленной дополнительным источником ионизации.

Итак, все рассуждения неизбежно приводят нас к заключению: ночью в рассматриваемой области высот действует дополнительный источник ионизации (g≠O). Это и обеспечивает сохранение электронной концентрации, несмотря на высокую скорость рекомбинации. Теперь вся проблема лишь в том, что это за источник. Какова его природа?

Еще в 1960 году советские ученые Г. С. Иванов-Холодный и Л. А. Антонова выдвинули гипотезу корпускулярной ионизации ночной ионосферы. Они предположили, что ночью ионосфера существует за счет потоков корпускул, а точнее, за счет мягких электронов с энергиями от одного до нескольких десятков килоэлектронвольт.

Слой Е

Первоначально казалось, что такие потоки нужны для всей ионосферы, однако потом стало ясно, что область F поддерживается за счет динамических процессов (мы еще вернемся к этому), в области D действуют более жесткие корпускулы, а вот на высотах 100 - 170 км... Здесь, как мы видим, источник ионизации ночью просто необходим. Так почему бы корпускулярным потокам не быть этим источником?

У корпускулярной гипотезы много привлекательных сторон. Достаточно иметь общий поток мягких электронов ночью около одной сотой эрга (0,01 эрг/(см2×с)), чтобы решилась наша проблема втекания - вытекания и соответствующие равновесные концентрации электронов оказались бы близки к наблюдаемым. Кроме того, с помощью потоков корпускул можно логично объяснить две важные особенности поведения электронной концентрации в области Е: изменчивость [е] во времени и изрезанность профиля [е] с высотой. Первый факт объясним переменчивым характером появления мягких электронов, второй - изменчивостью спектра потока, т. е. соотношения между числом частиц различных энергий. Однако корпускулярная гипотеза встретила и ряд трудностей. И главная из них заключается в том, что неясно, существуют ли реально необходимые потоки мягких электронов на средних широтах? Мы привыкли связывать различные эффекты в высокоширотной ионосфере (полярные сияния, авроральное поглощение, явления поглощения в полярной шапке и т. д.) с вторжением корпускул различных энергий, но вот в средних широтах...

Казалось бы, всю проблему может решить эксперимент. Но измерять "кэвные" электроны очень и очень трудно. И хотя было, проведено несколько успешных регистраций таких потоков (в том числе Г. С. Ивановым-Холодным и его сотрудниками), нет недостатка и в отрицательных результатах, когда этих потоков не обнаруживали вовсе или они были ничтожно малы для наших целей.

Что же можно противопоставить корпускулярной гипотезе? Какие еще источники поддержания ионизации в ночной области Е можно предложить? Солнце зашло, света звезд недостаточно (хотя в его составе и есть ультрафиолетовое и рентгеновское излучение), метеоры не годятся. Может быть, динамические процессы - источник ночной области F2? Нет, в нашем теперешнем случае они тоже не подходят. Ниже 180 - 200 км время жизни заряженных частиц становится слишком мало из-за быстрых процессов рекомбинации. Скажем, на высоте 120 км при тех величинах α' = 105 см-3 и α'=10-6 см3×с-1, которые мы уже использовали для оценок, время существования электрона от момента рождения в процессе ионизации до момента гибели в рекомбинационном акте (τ≈1/α'[e]) будет составлять около десяти секунд. За такое короткое время электрон не сможет улететь достаточно далеко от места рождения (скажем, из дневного полушария, где продолжается ионизация солнечным излучением, в ночное). Иными словами, при столь малых т динамические процессы как источник дополнительной ионизации бессильны. Тогда что же все-таки может производить ионизацию в ночной области Е? Ответ был найден несколько неожиданный - ночью ионизация в области высот 100 - 170 км поддерживается за счет... солнечного ультрафиолетового излучения. Но, конечно, не прямого (Солнце-то ведь давно зашло!), а рассеянного. Что это за рассеяние, поговорим подробнее.

Земная атмосфера простирается на большие расстояния - несколько радиусов Земли. С удалением от поверхности Земли состав атмосферного газа меняется и начинают доминировать все более легкие газы. В самой внешней части атмосферы, которая нас сейчас интересует, доминирующими составляющими являются гелий и вытесняющий его с удалением от Земли водород. Эту внешнюю часть земной атмосферы часто называют геокороной.

Естественно, на большом расстоянии от твердой Земли понятия "заход" и "восход" Солнца теряют смысл. Практически геокорона (за исключением небольшого пятна земной тени) освещена Солнцем всегда. Значит, она может рассеивать солнечные лучи и посылать часть их назад, на ночную сторону Земли.

Но это лишь часть идеи, ее геометрия. Есть еще и физика. Она состоит в том, что не всякое рассеяние годится. Плотность газа в геокороне настолько мала, что обычное рассеяние ничего не даст - интенсивность рассеянного излучения будет ничтожно мала. Спасти может только так называемое резонансное рассеяние. При резонансном рассеянии квант излучения в спектральной линии, испущенной возбужденным атомом (скажем, водорода) на Солнце, поглощается аналогичным атомом в геокороне. При этом атом геокороны возбуждается на тот же уровень, на который был возбужден излучавший атом на Солнце. По прошествии некоторого времени возбужденный атом геокороны испускает квант излучения той же спектральной линии. Но если первоначальное излучение распространялось в одном направлении (от Солнца) и - попасть на ночную сторону Земли не могло, то испущенный атомом геокороны квант того же излучения может равновероятно двинуться в любом направлении, в том числе и на ночную сторону Земли. Эффективность процесса резонансного рассеяния в сотни и тысячи раз выше, чем эффективность обычного рассеяния, именно поэтому оно может дать заметный поток ультрафиолетового излучения на ночную ионосферу.

Геокорона

Однако не всякое излучение может попасть в ночную ионосферу за счет механизма резонансного рассения, а только то, которое найдет соответствующих партнеров в геокороне. Проще говоря, пройти через описанную процедуру могут лишь линии Н и Не (коль скоро в геокороне доминируют водород и гелий). В ультрафиолетовой части солнечного спектра (которая только и интересует нас сейчас с точки зрения ночной ионизации) это линии водорода 1216 Å (Лайман-α, или Lα) и 983 Å (Лайман-β, или Lβ); гелия 304 и 584 Å.

Именно излучение в этих линиях, рассеянное на атомах водорода и гелия в геокороне, и должно, согласно рассматриваемой гипотезе, обеспечивать поддержание ночной ионизации в области Е и в "долине" между областями Е и F.

Вклад указанных линий в ионизацию интересующей нас области должен быть существенно различен. Линии гелия (304 и 584 Å) сильно поглощаются атмосферным газом и потому не могут проникнуть непосредственно в область Е. Они тратят свою энергию на создание ионизации на высотах 140 - 170 км. В то же время водородные линии (Lα 1216 Å и Lβ 983 Å) проходят этот интервал высот почти без потерь, зато могут создавать ионизацию в самой области Е. При этом их роль в процессе ионизации также будет различной. Излучение Lα - в силу того, что энергия его кванта меньше потенциала ионизации основных атмосферных компонент азота и кислорода,- способно ионизовать лишь молекулы N0, у которых низкий потенциал ионизации, но зато может проникать в самую нижнюю часть области Е и даже в область D. Следует отметить, что вклад рассеянного излучения La в поддержание ночной ионизации зависит, таким образом, от концентрации малой составляющей атмосферы - окиси азота, которая сильно меняется в зависимости от условий.