Популярная аэрономия

Значит, N и N0 оказываются тесно связанными. Мы рассматриваем здесь только процессы с участием нейтральных частиц. А когда к делу подключатся еще и заряженные частицы, связь между окисью азота и атомным азотом становится еще более тесной и сложной. Мораль проста: невозможно всерьез обсуждать отдельно фотохимию N и N0, приходится говорить о всем цикле процессов с участием азота и его окислов. В этом-то и состоит основная трудность проблемы N0. Решение этой проблемы исторически идет по пути своего рода соревнования между измерениями количества окиси азота и усовершенствованием теории указанного цикла процессов.

Первыми рассмотрели схему реакций с участием N и N0 классики аэрономии англичанин Бейтс и бельгиец Николе. Они получили, что в области D концентрации окиси азота относительно малы и не превосходят 106 молекул на кубический сантиметр. Такой вывод был очень важен, поскольку он показывал, что N0 не может играть существенной роли в образовании области D, Это привело к проблеме дополнительного источника ионизации, описанной в предыдущей главе. Но был ли такой вывод правильным?

Поначалу казалось, что это так. Первое экспериментальное определение количества N0, сделанное японскими учеными, подтвердило выводы теории: количество окиси азота ниже 85 км не превышает 106 см-3.

Здесь следует сделать небольшое отступление - сказать о трудностях измерения N0 в верхней атмосфере. Мы знаем, что основной метод исследования состава атмосферы - масс-спектрометрический. Но окись азота, как бы много внимания ей ни уделяли ученые, является малой составляющей атмосферы. Это означает, что ее концентрации на несколько порядков меньше концентраций основных составляющих атмосферного газа - молекулярного азота и кислорода. Например, на высотах области D, о которых пока в основном ведется наш рассказ, на одну молекулу N0 приходится по меньшей мере 106 (миллион!) частиц N2 и О2. Попробуйте из миллиона частиц выловить одну молекулу N0! Масс-спектрометрам пока это еще не под силу. Да и работают масс-спектрометры ниже 100 км, как мы знаем, весьма неохотно и требуют специальных ухищрений в виде откачных устройств, охлаждения и т. д. Значит, масс-спектрометрический путь определения количества N0 не годится. Нужен метод измерения, позволяющий выделять молекулы окиси азота среди большого количества других частиц. Таким методом в принципе является оптический метод.

Каждая частица (атом или молекула) имеет свой особый спектр поглощения (или излучения), свой "оптический паспорт". Нужно только найти характерные черты этого спектра и произвести измерения в соответствующем интервале длин волн. Эти черты были найдены в виде так называемых γ-полос N0 в ближней ультрафиолетовой части спектра (1800 - 2100 Å). Если аккуратно измерить поглощение атмосферы на различных высотах в указанном интервале длин волн (скажем, с помощью фотометра, поднятого на ракете), то его можно пересчитать в концентрации N0, поскольку именно окись азота служит основным поглощающим агентом в этом интервале λ. Такова идея оптического метода. Но, как обычно, между идеей и ее воплощением стоят серьезные трудности. Они связаны в основном с двумя факторами - калибровкой фотометра и учетом фона рассеянного света, т. е. паразитного сигнала, вызванного излучением, попавшим в прибор помимо поглощающего слоя N0.

Эти экспериментальные трудности и приводят к тому, что к каждому конкретному измерению концентрации N0 приходится относиться с определенной осторожностью. До самого недавнего времени считалось также, что именно с этим связаны в большинстве случаев различия в результатах измерений. Мы вернемся к этому в дальнейшем.

В 1959 году группа японских исследователей опубликовала первые экспериментальные оценки количества N0 в верхней атмосфере. Они использовали весь интервал спектра 1800 - 2100 Å и измеряли суммарную концентрацию окиси азота в столбе атмосферы высотой около 25 км. Эти оценки совпали с теоретическими оценками того времени.

Благополучие это, однако, длилось лет пять. В 1964 году американский ученый Барт опубликовал результаты более тщательных измерений концентраций NO тем же методом. Однако он использовал поглощение в отдельных, более узких полосах и уделил большее внимание вопросу фона рассеянного излучения. Измерения Барта поколебали казавшееся прочным здание фотохимической теории. Согласно его измерениям, количество NO на высотах 75 - 100 км составляет 4×107 см-3, что в 40 раз выше верхнего предела, данного в японской работе. Ситуация резко изменилась. Во-первых, обнаружилось существенное различие между теорией и экспериментом. Во-вторых, стало ясно, что окись азота может играть роль в поддержании ионизации в области D. Как развивалась вторая сторона проблемы, мы уже видели в предыдущей главе. Ну а конфликт между теорией и экспериментом?