Чтение онлайн

Свое рассмотрение мы начнем с самой простой области ионосферы, расположенной на высотах 100 - 200 км. Эта область считается простой по нескольким причинам. Во-первых, выше 100 км заведомо нет отрицательных ионов, а они, как мы увидим в главе 5, крайне усложняют ионизационно-рекомбинационный цикл. Во-вторых, один из важнейших динамических процессов - амбиполярная диффузия - начинает серьезно вмешиваться в дела ионов и электронов лишь выше 200 км, а в интересующей нас сейчас области она нам никаких неприятностей причинить не может. Третье преимущество указанной области - доступность ее для небольших геофизических и метеорологических ракет. А такие ракеты поставляют весьма ценные экспериментальные данные. В итоге нам есть с чем сравнивать выводы теории. Мы можем эту теорию контролировать и уточнять по надежным данным наблюдений.

В результате всех этих причин область высот 100 - 200 км (будучи сама по себе значительной и важной частью ионосферы стала чем-то вроде полигона для проверки и отработки фотохимической теории образования ионизации в атмосфере. Построенная для высот 100 - 200 км фотохимия применяется затем и к большим высотам (скажем, область максимума слоя F2), где приходится "мирить" ее с динамическими процессами, и к области D, где на нее накладывается специфика отрицательных ионов и ионов-связок.

Главный источник - Солнце

Основной вопрос ионосферной физики - что является первопричиной образования пояса заряженных частиц в верхней атмосфере Земли - уже давно получил ответ. Первопричина появления ионосферы - ионизующее излучение Солнца.

Что значит "ионизующее"? Очевидно, способное вызвать процесс ионизации. Чуть выше мы говорили, что для того чтобы произошел процесс ионизации (3), квант излучения должен иметь энергию не меньше потенциала ионизации частицы X. В роли X в верхней атмосфере могут выступать основные нейтральные компоненты - N2, O2, О. Наименьший потенциал ионизации из них имеет молекулярный кислород - около 12 эВ. Эта энергия соответствует длине волны 1020 A. Значит, ионизующим излучением в данном случае будет любое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение с <1020A. Это верхняя граница.

С нижней границей положение сложнее. Дело в том, что наиболее коротковолновая часть солнечного излучения (<30 A) проходит большую часть ионосферы, почти не поглощаясь, а значит, и не участвуя в создании ионизации. Только на высотах области D, ниже 100 км, это излучение вступает в игру и отдает свою энергию на образование заряженных частиц. Таким образом, выше 100 км ионизацию производит ультрафиолетовое (100 - 1020 A) и так называемое мягкое рентгеновское (30 - 100 A) излучение Солнца.

Энергия солнечного излучения, заключенная в интервале длин волн 100 - 1020 A, как раз и определяет выше 100 км скорость ионизации - тот важный параметр, который мы будем многократно упоминать в этой книге, обозначая его через q. Поскольку в данном случае речь идет о процессе ионизации излучением, этот процесс часто называют фотоионизацией, а соответствующую скорость- скоростью фотоионизации, чтобы отличить от других ионизационных процессов, вызванных, например, корпускулами.

Поясним, что такое скорость ионизации. Проходя через атмосферный газ, ионизующее излучение взаимодействует с его частицами и производит сам процесс ионизации - отрыв электрона от нейтральной частицы. Эффективность этого процесса, т. е. количество актов ионизации (или, что то же, количество образованных при этом пар ион - электрон) в единице объема (см-3) в единичный интервал времени (с-1), и называется скоростью ионизации q.

От чего же зависит величина q? Из сказанного ясно, что она должна быть тем больше, чем больше количество (поток) квантов ионизующего излучения / и чем выше концентрация нейтральных частиц [М] в единичном объеме. Оказывается (это не так очевидно, но очень важно), величина q зависит также от некоторого параметра i, называемого эффективным сечением ионизации. Он характеризует, насколько охотно взаимодействует, производя ионизацию, излучение той или иной длины волны с данным видом частиц (скажем, О2 или N2). Итак, скорость ионизации

q =[M]Ii(Формула 5)

Это выражение является основой основ всех вычислений скоростей ионизации в земной ионосфере. Реальные формулы для расчетов, конечно, гораздо сложнее, поскольку приходится учитывать изменение интенсивности излучения по спектру, поглощение этого излучения в атмосфере, зависимость i от длины волны и т. д. Но основной принцип заложен в нашей формуле (5), и, отталкиваясь от нее, мы рассмотрим ряд вопросов.

Первый вопрос: все ли мы имеем, чтобы рассчитать величины q в ионосфере в соответствии с (5)? Из изложенного выше нам известно, что модель атмосферы у нас есть. А значит, есть и [М]. Сечения ионизации исследованы в лаборатории. Здесь тоже не видно проблем. Остается еще величина I - поток ионизующего излучения. Эту величину выражают обычно либо в квантах через квадратный сантиметр в секунду, характеризуя количество квантов, способных произвести ионизацию, либо в эргах тоже через Квадратный сантиметр в секунду, характеризуя общую энергию, которую несет указанное количество квантов. Эрги используются чаще, однако для обсуждения проблем ионизации и рекомбинации удобнее кванты. Так вот, величина I и есть самое сложное место расчетов q.

В книге автора "Химия, атмосфера и космос" в разделе "Как светит Солнце?" подробно описана история того, как в конце пятидесятых - начале шестидесятых годов менялись взгляды на величину I. Не повторяя здесь этой увлекательной истории, отметим лишь, что взгляды на энергию солнечного ионизующего излучения менялись очень сильно. Потоку ионизующего излучения I разные авторы в разное время приписывали значения от 0,1 до 100 эрг/(см2xс). Это очень широкая "вилка". Как ни как разница в тысячу раз! Не многие из аэрономических параметров могут похвастаться таким диапазоном неопределенности.

К концу 60-х годов, однако, дело более или менее прояснилось. Измерения спектра ультрафиолетового излучения Солнца были проведены на ракетах американским ученым Хинтереггером и дали значения I около 3 эрг/(см2xс). К таким же значениям привела после всех уточнений и теория ионизационно-рекомбинационного никла в ионосфере (мы расскажем об этом далее). Именно этим временем относительного благополучия в вопросе об I и кончается история вопроса об интенсивности коротковолнового излучения Солнца в книге автора "Химия, атмосфера и космос". На стр. 25 мы читаем:

"Можно ли считать, что все в порядке? В первом приближении, несомненно, да. Все три оценки количества актов ионизации (или рекомбинации) в земной ионосфере - по энергии коротковолнового излучения Солнца, по скорости процессов рекомбинации и по эффективности ионно-молекулярных реакций - дают близкие между собой (или, как принято говорить, одного порядка) результаты".

Куда уж лучше! После "вилки" в 3 порядка величины - "близкие результаты". Но такое благополучие длилось недолго. Уже в 1969 году Хинтереггер пересмотрел свои экспериментальные данные и уменьшил величину I примерно до 2 эрг/(см2xс) при средней солнечной активности.

Здесь уместно поговорить о зависимости солнечного коротковолнового излучения от активности Солнца. Солнце является звездой с очень "постоянными привычками" в видимой области спектра, где поток излучения не изменяется от года к году даже на проценты своей величины. В коротковолновой части спектра (>3000 A) дело, однако, обстоит совсем не так. Здесь Солнце очень переменчиво. И чем больше активность Солнца, те"М больше оно должно излучать в коротковолновой области. В качестве индексов солнечной активности используется несколько различных параметров. Более общеупотребительные из них: W - число солнечных пятен и Р10$- величина потока солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см в единицах 10-22Вт/(м2xГц). Эта величина, которую в последнее время стали называть индексом Кэвингтона, изменяется примерно от 70 в глубоком минимуме солнечной активности до 250 в период максимума солнечного цикла в 1957 году.