Популярная аэрономия

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.