Популярная аэрономия

Вслед за Бейтсом и Николе многие ученые пытались строить теоретические модели распределения NO на базе схемы фотохимических превращений. И все модели с небольшими вариациями приводили к малым значениям [NO] ниже 100 км, лежащим в пределах 105 - 106 молекул на кубический сантиметр. Надо было искать дополнительный источник окиси азота. Где же его искать? Все варианты комбинаций между N, О и окислами азота в классической схеме тщательно рассмотрены. Требовалась какая-то принципиально новая идея. И такая идея появилась. Ее высказали американские ученые Хантен и МакЭлрой. Что, предположили они, если участвующая в реакции (41) молекула кислорода будет находиться не в обычном, основном, состоянии, а в возбужденном? Скажем, в состоянии О2(1Δg)-наиболее распространенном состоянии возбуждения O2 в верхней атмосфере. Как будет тогда протекать реакция? Есть все основания полагать, что эффективность процесса (41) должна быть на несколько порядков выше, чем в случае невозбужденного кислорода. Но вот на сколько? Покроет ли этот выигрыш в эффективности реакции дефицит в количестве исходных продуктов - ведь возбужденных молекул О2(1Δg) много меньше, чем невозбужденных? Стали считать. Концентрации О2(1Δg) в атмосфере известны (мы поговорим подробнее о возбужденных частицах в конце главы). Значит, можно легко оценить, какая константа скорости реакции

Формула 43

нужна, чтобы обеспечить необходимую скорость образования N0.

Оказалось, что нужно, чтобы величина аз составляла примерно 10-11-10-13см3×с-1 (у разных авторов получались несколько различные оценки из-за неопределенности исходных данных). Эта величина в принципе вполне реальна с точки зрения кинетики реакций, поэтому "вплоть до выяснения" решили, что недостающий механизм генерации окиси азота найден.

Но "выяснение" не замедлило прийти. В лаборатории померили константу реакции (43), и она оказалась равной 3×10-15см3×с-1. На порядки величины ниже, чем необходимо! Новый механизм оказался непригодным для объяснения высоких концентраций окиси азота.

А сами концентрации N0? Не претерпели ли за это время изменений взгляды на их величину? Здесь тоже развернулась бурная дискуссия. Американец Пирс оптическим методом получил [NO]≈109 см3 на высотах области D. Тут уж начался настоящий бум. С одной стороны, нет удовлетворительного механизма, объясняющего даже относительно скромные величины Барта. С другой - возникают совершенно неожиданные сложности с ионизацией в области D. Словом, данные Пирса были признаны завышенными и вину свалили на учет все того же пресловутого фона рассеянного света. Поддержкой такой концепции явился и эксперимент бразильского ученого Мейра. После тщательного учета фона рассеянного света он получил концентрации NO, лежащие между 107 и 108 см-3. Это еще куда ни шло. Во всяком случае, отпали трудности с чудовищными скоростями ионизации на высотах 80-90 км.

Измерения Мейра были признаны наиболее тщательными и на некоторое время приняты в качестве эталона. Правильность их подтверждал и тот факт, что нижний конец кривой Мейра хорошо состыковался с результатами измерений на малых высотах (40 - 65 км) совершенно иным методом.

С данными Мейра стали сравнивать возможности теории. А теория, как мы помним, зашла в тупик в вопросе с реакцией (43), и вновь остро встала проблема источника окиси азота. Пришлось вернуться к исходной реакции (41) между O2 и N. Как повысить ее эффективность? Для невозбужденных О2 и N константа скорости α4 составляет при температуре области D примерно 10-16 см3×с-1. Если возбуждена молекула О2, то эффективность реакции возрастает до 3×10-15 см3×с-1, но этого, как мы видели, недостаточно. А если возбужден атом азота? Такая реакция

Формула 44

тоже возможна. И, согласно лабораторным данным, идет она довольно эффективно: α4 = 6×10-12 см3×с-1. Но одной эффективности мало. Чтобы оценить вклад этой реакции в образование NО, необходимо знать, какова концентрация исходных продуктов О2 и N (2D) в атмосфере. С О2 проблем нет. А вот возбужденный азот... Его концентрации практически неизвестны. И для высот меньше 100 км не видно даже метода, которым концентрации N(2D) можно было бы измерить. Значит, вновь надежда только на теорию. Теория привела, однако, к парадоксальному выводу: возбужденные атомы N(2D), являющиеся источником окиси азота по реакции (44), образуются в основном из ионов NO+, которые в свою очередь образуются (по крайней мере, на высотах области D) из нейтральных молекул N0. Замкнутый круг!

Образование NO

Пришлось включать в рассмотрение и реакции с участием заряженных частиц, что привело к современной схеме процессов, включающей как N, N(2D) и N0, так и положительные ионы. Эта схема изображена на рисунке. Мы видим, что все интересующие нас компоненты в этой схеме взаимосвязаны. Чтобы найти нужные нам концентрации отдельных составляющих, приходится решать довольно громоздкую систему уравнений, вытекающую из указанной схемы. Задача сложная, но вполне разрешимая.