Популярная аэрономия

Группа японских ученых, много сделавших для развития гипотезы рассеянного излучения, провела серию одновременных измерений [е] и структуры ветра на высотах 100 - 170 км. Авторы получили, во-первых, что профиль электронной концентрации в течение ночи сильно изменяется. Происходит смещение максимумов и минимумов, понижение "долины" и т. д. И во-вторых, все это изменение полностью следует за изменением в течение ночи структуры горизонтальных ветров.

Итак, гипотеза рассеянного излучения, привлекая ветер, дала очень красивое решение задачи о ночном источнике ионизации на высотах 100 - 170 км. Значит ли это, что проблема решена полностью и можно к ней не возвращаться? Увы, нет. Все, что мы говорили о согласии теории и эксперимента, относилось к невозмущенным условиям, когда ночные электронные концентрации достаточно низки (скажем, на высоте 120 км порядка (2 :3) 103 см-3). Но общее количество электронов в ночной области высот 100 - 170 км сильно меняется. И обеспечить нужную скорость ионизации в случае достаточно высоких [е] (на высоте 120 км это будет соответствовать примерно 104 см-3) рассеянное излучение не может. Не может оно объяснить и того факта, что случаи более высокой ионизации демонстрируют явную связь с моментами повышенной геомагнитной активности.

Значит, мы снова возвращаемся к корпускулярной гипотезе. Но теперь с несколько других позиций. Корпускулы нужны нам, чтобы объяснить повышение ионизации над "фоном" (даваемым рассеянным излучением) при возмущениях магнитного поля Земли. Но нужны-то они нужны, а вот действительно ли они существуют? Ведь что касается измерений самих электронов с E=1:10 кэВ, то измерять их трудно, и результаты разных авторов расходятся. Одни "видят" их своими приборами и получают достаточные величины потоков для обеспечения g. Другие "не видят" совсем или получают столь малые потоки, что о вкладе в ионизацию E - области и говорить не приходится. Третьи... Третьи не измеряют ни того, ни другого, но задают простой вопрос: откуда на средних широтах могут взяться электроны столь малых энергий? И это очень неприятный вопрос для сторонников корпускулярной гипотезы. Ведь, если бы эти электроны пришли извне, земное магнитное поле должно было бы их отбросить к полюсам, в высокоширотную ионосферу. А если они образовались внутри ионосферы, то где и с помощью какого механизма?

Вот в этом-то и состоит суть современной проблемы ночной ионизации. Мы получаем все больше убедительных аэрономических доказательств роли корпускул в ночной области Е на средних широтах, но еще не имеем ни непреложного экспериментального доказательства существования необходимых корпускулярных потоков, ни теоретического объяснения их природы.

А в остальном, как говорится, все вполне ясно.

Борьба динамики и фотохимии

Мы поговорили подробно об ионосфере на высотах 100 - 200 км. Теперь поднимемся выше, в область F2, где расположен главный максимум распределения электронной концентрации. Существование этого максимума известно давно; именно он лучше всего наблюдается с наземных ионосферных станций. Но вот как и почему он образуется? Для ответа на этот вопрос уже недостаточно всего, что мы знаем о фотохимии (т. е. о скорости ионизации и рекомбинации) заряженных частиц. Необходимо рассматривать их перераспределение в результате динамических процессов. Попробуем понять, почему это необходимо.

На высотах слоя F2 уравнение фотохимического равновесия для электронной концентрации записывается в виде (26):

Равновесие для электронной концентрации

где - линейный эффективный коэффициент рекомбинации.

Он определяется скоростью трансформации атомных ионов О+ и N+, которые образуются в результате ионизации атомов О и молекул N2 - основных нейтральных частиц на этих высотах,- в молекулярные, рекомбинирующие с электронами по реакциям диссоциативной рекомбинации. Трансформация эта происходит при участии нейтральных молекул N2 и О2 в основном по реакциям:

Формула 30

Значит, коэффициент р прямо пропорционален концентрациям молекулярных составляющих атмосферы. А скорость ионизации g? Величина g определяется количеством нейтральных атомов, поскольку они являются основной ионизуемой компонентой на рассматриваемых высотах. Что же получается? Концентрация электронов, согласно формуле (26), прямо пропорциональна концентрации атомов и обратно пропорциональна концентрации молекул, т. е. грубо говоря, [е][A]/[М]. Поскольку основными нейтральными атомами в области F2 являются атомы кислорода, а основными молекулами - молекулы азота, пишут более конкретно: [e][О]/[N2]. Отметим себе, это простое соотношение - сегодня его рассматривают как ключ к решению многих проблем F - области. А сейчас вернемся к основному вопросу, почему фотохимия одна не в силах объяснить существование области F2.