Популярная аэрономия
Шрифт:
На концентрации нейтральных частиц в верхней атмосфере могут влиять три типа процессов: молекулярная диффузия, турбулентная диффузия и горизонтальный перенос. Роль каждого из этих процессов определяется временем жизни данных частиц М относительно соответствующего процесса. Относительно какого процесса время жизни меньше, тот и определяет на данных высотах распределение [М]. В случае N0 мы можем довольно аккуратно сравнить времена жизни относительно молекулярной диффузии и фотохимии. Они оказываются равными на высоте около 200 км. Выше доминирует молекулярная диффузия, которая и определяет вертикальный профиль [NO]. Ниже - фотохимия. До каких пор? Пока ее не "переможет" турбулентная диффузия. Но сделать точные оценки этой высоты труднее, поскольку все еще нет надежных данных о коэффициенте турбулентной диффузии, а он-то как раз и определяет необходимое нам время жизни. Можно лишь утверждать, что в области D концентрации окиси азота контролируются именно турбулентной диффузией, которая вместе с фотохимией контролирует, видимо, профиль [N0] и в нижней части области Е.
Помогает ли все это объяснить сильную изменчивость [NO] в областях D и Е? Видимо, нет. Правда, неопределенность с коэффициентом турбулентной диффузии оставляет некоторые возможности для объяснения изменчивости [NO] вариациями этого коэффициента, но в целом в настоящее время считается неизбежным привлекать для объяснения этой изменчивости процессы горизонтального переноса. Увы, дальше этого дело пока не идет. Мы не знаем ни эффективности процесса, ни причины его изменчивости, ни места, откуда, скажем, поступают молекулы N0, создающие высокие концентрации в тех или иных условиях. Вопросов, подобных этим, много. Однако пристальное внимание к проблеме вариаций окиси азота в нижней ионосфере обещает в ближайшее время ответы (и, возможно, очень интересные) по крайней мере на некоторые из них.
Сколько в атмосфере атомного азота?
Вопрос о количестве атомов азота, как уже говорилось, весьма важен для всей проблемы окиси азота. Как обе проблемы решаются в совокупности на основе современной фотохимической теории, мы знаем. Всякая теория проверяется экспериментом. Современная схема процессов с участием N и NО дала разумное согласие с результатами измерений [NO] и [N(2D)]. А как с измерениями невозбужденных атомов N?
Оказывается, измерять концентрации N гораздо труднее, чем концентрации тех же атомов в возбужденном состоянии N(2D), хотя последние составляют лишь малую долю N. Причина тут проста: возбужденные атомы излучают запасенную ими энергию, переходя снова в атомы в основном состоянии. В случае N(2D) это будет зеленая линия с длиной волны 5200 A. Именно ракетные измерения этой линии и дали упоминавшиеся нами данные о распределении [N(2D)] в атмосфере выше 140 км.
А обычные атомы азота? Оптическими методами определить их концентрацию очень трудно. Значит, остается основной метод изучения состава верхней атмосферы - масс-спектрометрический. Именно с ним, вернее, с полученными этим методом результатами и связаны сейчас основные проблемы атомного азота выше 100 км.
Масс-спектрометр регистрирует частицы в соответствии с их отношением массы к заряду. (В случае измерения ионного состава ионы поступают прямо из окружающей атмосферы, так сказать, в готовом виде. Когда исследуется нейтральный состав газа, включается специальный ионный источник, превращающий путем ионизации пучком электронов входящие нейтральные частицы в заряженные, которые и поступают в анализатор прибора.)
За условную единицу принято отношение массы к заряду у атома водорода, поэтому соответствующие массовые числа составляют 1 для Н, 2 для Н2, 14 для N, 16 для О, 28 для N2, 30 для NO, 32 для O2 и т. д.
С помощью масс-спектрометра в принципе можно проводить как абсолютные измерения (т. е. прямо получать количество, скажем, атомов О или молекул N2 в кубическом сантиметре), так и относительные. В последнем случае получают соотношение между концентрациями различных компонент, например тех же О и N2.
Обычно масс-спектрометр выполняет именно относительные измерения.
Все было бы хорошо и никаких трудностей с измерением концентраций N не возникало бы, если бы пик атомного азота на масс-спектрограммах образовывался... только из атомного азота. Выясняется, однако, что это не так. Как показали калибровки в лаборатории на спектрах контрольной смеси, в которой заведомо нет атомов N, а есть лишь N2, тем не менее наблюдается пик с массовым числом 14. Откуда он берется? Видимо, это побочный продукт воздействия электронов ионного источника. В самом приборе происходит разрушение части молекул N2 и образование атомов N, которые не имеют ничего общего с реальным существованием атомного азота в атмосфере.
Лабораторные калибровки дали величины I14/I28 порядка 1 - 3%. Несколько паразитных частиц с М=14 на 100 молекул азота. А на полетных спектрах это отношение, как правило, оказывалось несколько выше (в среднем от 3 до 5 - 6%). Казалось бы, отнести разницу за счет атмосферных
атомов азота - и вот вам готовое отношение [N]/[N2] в атмосфере.
Однако у многих исследователей появились сомнения. Во-первых, несколько процентов от концентрации N2 - это довольно много для атомного азота, особенно в нижней части измерений, в области Е. Скажем, на высоте 130 км 1% от концентрации N2 составляет 1010 см-3. Это много больше, чем дают даже грубые теоретические модели распределения [N]. Во-вторых, отношение I14\I28 обнаружило сильные вариации от эксперимента к эксперименту, то поднимаясь до высоких значений, превосходящих 10%, то опускаясь до лабораторных величин. Как-либо разумно объяснить эти вариации, связать их с изменением состояния атмосферы, не удавалось.
И вот мнения специалистов по масс-спектрометрии разделились. Большинство предпочло воздержаться от анализа данных по I14\I28 и определения по ним количества атмосферного атомного азота.
Однако некоторые исследователи склонны приписывать полученную разницу между лабораторными и наблюдаемыми значениями I14\I28 целиком вкладу атмосферного атомного азота. Естественно, в этом случае получаются высокие [N]/[N2], порядка нескольких процентов, или, что то же (поскольку мы здесь можем считать концентрации N2 известными с хорошей точностью), высокие концентрации атомов азота, на 2, а то и на 3 порядка большие, чем дает современная фотохимическая теория. Можно ли подправить теорию, чтобы получить более близкие к эксперименту значения? Оказывается, нет. Существует принципиальная трудность, связанная реакцией (42). В этой реакции происходит одновременная гибель атомов N и молекул N0. Константа скорости реакции известна из лабораторных измерений и равна 2x10-11 см3xс-1. Помножив концентрацию N на концентрацию NO и на эту величину, мы, естественно, получим скорость гибели N и NО. В условиях равновесия эта скорость должна компенсироваться скоростями образования соответственно атомов N и молекул NО.
Взяв концентрации окиси азота, описанные выше, и концентрации N, измеренные в масс-спектрометрических экспериментах, мы получим очень высокие скорости гибели N и NO. Так, на высотах 150 - 160 км величина [N][NO]2 будет составлять 104 - 105 см-3xс-1. Это очень много. Никакие известные механизмы (включая и реакцию с возбужденным азотом N (2D)) не способны обеспечить столь высокую скорость образования окиси азота на этой высоте. Аналогичная картина наблюдается и на других высотах, где значения [N] высоки. Чтобы показать, что полученные высокие значения [N][NO]2 невозможно принять с точки зрения скорости образования N, нам необходимо подробнее рассмотреть вопрос, откуда берется атомный азот.
Действительно, мы рассматривали присутствие в верхней атмосфере атомов азота как нечто заданное свыше, как нечто само собой разумеющееся. Теперь настало время подумать о том, как, в результате каких процессов, появляются в атмосфере атомы N.
Мы знаем, что в атмосфере начиная с некоторых высот активно идет диссоциация молекулярного кислорода. В результате этого процесса, вызываемого солнечным ультрафиолетовым излучением, молекулы O2 распадаются на два составляющих их атома О. Процесс этот идет настолько эффективно, что уже на высотах 130- 140 км концентрации О и O2 сравниваются, а выше кислород в атмосфере присутствует в основном в виде атомов.
Так может, подобное же происходит и с азотом? Может, зарегистрированные масс-спектрометрами относительно высокие концентрации N есть лишь отражение эффективно идущей диссоциации N2?
Оказывается, нет. Молекулу N2 мы не раз называли "ленивой" за ее нежелание вступать в различного рода реакции. Не изменила она себе и в этом случае. Молекулярный азот активно не хочет подвергаться диссоциации солнечным излучением. В этом отношении он полностью игнорирует пример своего коллеги молекулярного кислорода. Если для O2 коэффициент диссоциации составляет около 10-5 с-1 (вероятность диссоциации под действием солнечного излучения в расчете на одну молекулу), то для N2 эта величина равна всего лишь 10-12 с-1. Разница, как видите, весьма внушительная - в миллион раз.