Алексей Данилов - Популярная аэрономия

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.

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.