Страница 25 из 38
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.