Алексей Данилов - Популярная аэрономия

Концентрация ионов

Все, что мы рассказали здесь об изменении ионного состава с высотой, отображено на двух рисунках на стр. 35 (для дня и ночи соответственно). На этих рисунках показано относительное содержание всех рассмотренных ионов, причем ширина области, занятой данным ионом на данной высоте, равна его относительной концентрации в процентах. Например, на высоте 200 км днем [0+]/[е] = 45 %; [N+]/M = 5% ; [N2+ ]/[е] =10%; [NO+]/[e]=20 % и[О2+]/[е] = 20%.

Мы уже говорили о температуре верхней атмосферы. Говорили об ее изменении и о связанном с ним делении атмосферы на области. Но при этом всюду шла речь о температуре нейтральных частиц Тн.

Возникает вопрос: будут ли заряженные частицы в ионосфере иметь ту же температуру, что и нейтральные атомы и молекулы окружающего газа? Вопрос этот, далеко не простой, вызвал в свое время много дискуссий, а некоторые частные проблемы не решены до конца и по сей день.

На вопрос о том, отличается ли температура ионов Ти от температуры нейтралов Тн, сегодня следует ответить отрицательно. Нет, достаточно тяжелые ионы не успевают получить необходимого избытка энергии, чтобы их температура повысилась заметным образом, поэтому считают (в пределах современных точностей), что Ти=Тн.

Другое дело легкие частицы - электроны. Они (как и ионы) получают избыток кинетической энергии в самом акте своего рождения. И этот избыток приводит к тому, что электроны оказываются горячее окружающего их нейтрального газа. Сколь велика разница Те - Тн, зависит от того, насколько быстро происходит "охлаждение" электронов в столкновениях с нейтралами. Чем выше плотность атмосферы, тем чаще столкновения и тем труднее электрону удержать свой избыток энергии, тем меньше будет Те - Тн.

Именно поэтому в области D, где плотность нейтральных частиц велика, электронная температура никогда не отличается заметным образом от нейтральной. В то же время в области F температура электронов днем в 1,5 - 2 раза выше, чем температура нейтралов, и может достигать 3000 С. Ночью разница Те - Ти существенно уменьшается, ню все же на высотах области F2 может составлять несколько сот градусов.

Острее всего стоит сейчас вопрос о дневных Те в области Е и непосредственно над ней. Зондовые измерения дают превышение Те над Тн уже на 100 - 110 км, и соответственно дневные Те на 110 - 150 км равны примерно 600- 1000 К (при Тн в пределах 300 - 600 К. В то же время измерения с земли методом некогерентного рассеяния не обнаруживают никакой разницы между температурами электронов и нейтралов на этих высотах. При измерениях этим методом Те начинает превышать Тн только с высоты 150 - 160 км. Явное противоречие налицо. Вот и попробуйте построить эмпирическую модель электронной температуры!

Методом некогерентного рассеяния

Оба метода (и зондовый, и некогерентного рассеяния) имеют, конечно, свои трудности и недостатки. Но даже с учетом этих трудностей пока не удается привести результаты различных измерений Те в области Е к одному знаменателю. Чем больше проводится проверок и уточнений, тем прочнее стоят сторонники каждого метода на своих позициях. А разница остается. И это тем более удивительно, что на больших высотах никаких систематических расхождений эти два метода не дают. Ну а на высотах 110 - 150 км каждый выбирает ту электронную температуру (по зондовым или наземным измерениям), которая ему больше нравится... Как в среднем изменяется температура электронов с высотой в ионосфере днем и ночью, показано на рисунке.

Сейчас активно изучается вопрос о вариациях электронной температуры. Уже ясно, что Те выше, скажем, 160 км (не будем пока касаться скользкой области высот 100 - 150 км) испытывает сильные вариации в течение суток. Точнее говоря, электронная температура, видимо, тесно связана с зенитным углом Солнца. Это и понятно, поскольку поглощение коротковолнового излучения Солнца является основным источником нагрева ионосферной плазмы.

Другие вариации Те не так хорошо установлены и не так понятны. Похоже, что электронная температура на данной высоте при сходных условиях будет тем выше, чем выше солнечная активность (скажем, число Вольфа), и тем ниже, чем сильнее магнитное возмущение (чем больше, скажем, магнитный Криндекс). Однако надежных количественных данных пока нет.

В этой главе мы начнем рассказ о физике земной ионосферы. Современная физика ионосферы многостороння. Она затрагивает разные вопросы теории и эксперимента, задевает интересы соседних наук - химии, метеорологии, астрофизики, ее проблемы касаются разных высотных областей, от мезосферы на 50 - 60 км до протоносферы на тысячах километров.

Ионые ситуации

Однако при всем разнообразии вопросов в них есть некая общая основа. Она состоит в том, что ионосфера является продуктом деятельности трех основных процессов - ионизации, рекомбинации и динамики (на рисунке - Ио, Ре, Ди). Ионизация непрерывно стремится к увеличению числа заряженных частиц, рекомбинация активно борется за их взаимное уничтожение, а динамика, ничего не создавая и не уничтожая, ведет лишь к перераспределению (правда, в ряде случаев очень важному) заряженных частиц, созданных ионизацией.

В сущности все проблемы ионосферной физики сводятся к тому, что на разных высотах, в разное время, в различных географических областях эти процессы (в силу многих причин) действуют по-разному. Борьба основных процессов - ионизации, рекомбинации и динамики - и создает все разнообразие ситуаций, наблюдаемых в ионосфере. Задача же ионосферной физики состоит в том, чтобы, оперируя этими процессами, объяснить, как и почему те или иные ситуации возникают.

Насколько это удается, какие трудности и проблемы тут возникают - об этом как раз мы и будем вести речь дальше.

Мы начнем с описания двух первых из трех основных процессов и расскажем сначала о тех областях ионосферы, которые образуются как раз в результате борьбы этих двух процессов.

В принципе все происходит относительно просто. Солнечное излучение в ультрафиолетовой и рентгеновской частях спектра воздействует на нейтральные частицы верхней атмосферы. Происходит процесс ионизации, т. е. электрон отрывается от нейтрального атома или молекулы. Из нейтральной частицы образуются две заряженные: положительная - ион и отрицательная - электрон. В обычных физических символах это записывается так: