Алексей Данилов - Популярная аэрономия

Другое дело - метастабильные состояния. Частица в таком состоянии может находиться не излучая многие секунды, минуты, а в некоторых случаях - часы и дни. Например, время жизни относительно излучения атомов O(1D) составляет 100 с, а молекул O2(1Δg) - 1,5 ч. Естественно, что за такое долгое время жизни метастабильные частицы могут и накопиться в значительных количествах, и принять участие в различных аэрономических реакциях.

Именно о частицах, возбужденных в метастабильные состояния, или просто о метастабильных частицах, и идет обычно речь, когда говорят о роли возбужденных частиц в аэрономии. А роль эта, как мы понимаем уже сейчас, настолько велика, что советский ученый М. Н. Власов, много сделавший для изучения метастабильных частиц в верхней атмосфере, предложил область атмосферы, где концентрации этих частиц максимальны и где они принимают самое активное участие в аэрономических процессах, по аналогии с другими "сферами" называть эксайтсферой (от английского "excite" - возбуждать). Как и у многих других сфер, рассмотренных в этой книге, границы эксайтсферы достаточно размыты и точно определить их трудно. Тем не менее ясно, что днем наибольший вклад метастабильные частицы вносят на высотах 40 - 300 км. Суммарный профиль возбужденных частиц в дневной эксайтсфере имеет два максимума - примерно на 45 и 120 км. Первый обусловлен молекулами кислорода в состоянии 1Δg, о которых мы здесь неоднократно упоминали. Эти молекулы доминируют в эксайтсфере ниже 100 км. Второй максимум образован колебательно возбужденными молекулами азота, о которых мы поговорим ниже. Эти молекулы являются основной составляющей дневной эксайтсферы выше 100 км. Остальные метастабильные специи, о которых упоминалось в этом параграфе, располагаются в виде слоев различной ширины и с различной концентрацией (меньшей, однако, чем [N2#] и [О2(1Δg)]) на высотах от 80 до 300 км.

Ночью границы эксайтсферы значительно сужаются - она располагается на высотах 60 - 150 км с максимумом на высоте около 100 км. Основной составляющей ночной эксайтсферы являются все те же молекулы O2(1Δg), причем концентрации последних, так же как и других обитателей эксайтсферы, ночью значительно ниже, чем днем.

В ходе изложения наступил момент, когда читатель ждет от автора ответа на вопрос: "В каких же конкретных аэрономических процессах играют роль (и какую) метастабильные частицы?" К сожалению, достаточно полно ответить на него пока нельзя. И дело здесь не только в неизбежной сложности изложения, выходящей за рамки данной книги, но и в том, что исследование этого вопроса как раз и идет полным ходом сейчас, в данный момент развития аэрономии.

Перечислим здесь лишь несколько общих проблем и несколько примеров (часть которых уже встречалась на страницах этой книги) для иллюстрации.

Одна из проблем аэрономии, в которой метастабильные частицы должны играть очень важную роль,- это проблема теплового баланса. Метастабильные частицы участвуют в этой проблеме двояко.

Во-первых, имея избыток внутренней энергии, они могут отдавать ее при столкновениях окружающим частицам, приводя к изменению их термического режима, т. е. в конечном итоге - их температуры. Именно так, видимо, влияют колебательно возбужденные молекулы N2 на электроны в области Е, что может в ряде случаев приводить там к превышению Те над температурой нейтралов.

Во-вторых, возбужденные частицы сами являются показателем термодинамического режима той или иной области атмосферы и могут свидетельствовать в ряде случаев об отклонении этого режима от равновесного. Так, колебательные температуры молекулярного азота (т. е., грубо говоря, количество молекул N2, возбужденных на различные колебательные уровни) могут быть в эксайтсфере в несколько раз выше, чем соответствующие кинетические температуры окружающих атомов и молекул.

К сожалению, в вопросе о роли метастабильных частиц в термическом режиме верхней атмосферы ясна лишь важность самого вопроса - все остальное еще предстоит исследовать.

Могут участвовать метастабильные частицы и в процессах ионизации. Об этом мы уже говорили и в главе 5 и в этом параграфе. Видимо, ионизация возбужденных молекул кислорода играет роль в области D как днем, так и ночью. Днем это в основном ионизация молекул О2(1Δg) излучением с λ= 1118÷1027 Å, ночью - ионизация рассеянным излучением в линии Lα колебательно возбужденных молекул O2. Последний процесс может быть существен ночью и в области Е, внося тем самым вклад в решение проблемы ночного источника ионизации, о которой мы подробно рассказали в главе 4. Однако отсутствие точных данных об эффективности ионизации возбужденных молекул и о потоках рассеянного излучения затрудняет пока надежные количественные оценки.

Очень велика может быть роль возбужденных частиц в фотохимии заряженных частиц в области D. Уже ясно, что молекулы O2(1Δg) активно участвуют в двух важных реакциях - в отлипании электронов от ионов О2- и в разрушении ионов О4+. Однако можно ожидать, что и другие возбужденные частицы принимают существенное участие в очень сложном комплексе процессов, который идет в области D.

В последние годы много говорилось о зависимости важнейшей ионосферной ионно-молекулярной реакции O+ + N2, с которой мы много раз встречались в этой книге, от колебательного возбуждения (колебательной температуры) азота. Недавние лабораторные данные показывают, что константа скорости этой реакции реагирует на изменение колебательной температуры N2 так же, как на изменение кинетической температуры ионов O+. Значит, при построении теоретических моделей области F2 (что сейчас очень развито из-за влияния этой области на распространение радиоволн) необходимо помимо прочих исходных данных знать и количество . колебательно возбужденных молекул азота. А это - еще плохо разрешимая задача. При этом, естественно, встает вопрос о том, как влияют (и влияют ли) колебательно возбужденные молекулы N2 и O2 на другие ионно-молекулярные реакции в ионосфере. Однако ответа на него пока нет.

О том, как могут влиять возбужденные атомы и молекулы на фотохимию нейтральных частиц, лучше всего говорит пример с окисью азота. Другая метастабильная частица - атомы O(1D)-активно вмешивается в цикл процессов с участием водорода и его соединений. Процессы с участием этих атомов приводят, к диссоциации молекул Н2 и Н20. А образующиеся при этом атомы водорода и молекулы гидраксила начинают в мезосфере весь тот сложный клубок из многих и многих реакций, который называется водородно-кислородным циклом.

Мы все время говорили о возбуждении нейтральных частиц. Ну а возбужденные ионы? Могут ли они существовать и какую роль должны играть? Увы, этот вопрос легче поставить, чем разрешить. Фотохимия метастабильных ионов все еще изучена плохо. Мы не знаем практически ни возможного количества таких ионов, ни эффективности процессов, в которых они могут участвовать. Есть лишь самые общие соображения о том, что это могут быть весьма важные процессы. Так, пресловутая ионно-молекулярная реакция O+ с N2, дающая в обычных условиях ионы NO+, должна, видимо, приводить к образованию ионов N2, а не NO+, если исходные ионы O+ находятся в возбужденном состоянии. Последствия такой перемены читателям должны быть ясны.