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 β - 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.

Поскольку молекулы - более тяжелые частицы, чем атомы, их концентрация выше примерно 120 км (уровня диффузионного разделения) уменьшается с высотой быстрее, чем концентрация атомов. Более тяжелые молекулы как бы тонут в атмосфере более легких атомов. Последнее означает, что отношение ^[0]/_[N2] будет все время расти с высотой, а следовательно, должна возрастать и концентрация электронов. Пока мы поднимаемся от 200 к 300 км нас это устраивает. Наша теория объясняет рост [е] ниже максимума слоя F2. Двигаемся выше. И тут - стоп! Выше что-то не то. Мы проходим максимум слоя. А откуда, собственно, слой? По фотохимической теории, должен продолжаться рост концентрации электронов, а в реальной атмосфере начинается уменьшение [е] с высотой. В чем же дело? Видимо, мы пришли к верхней границе применимости фотохимической теории. И действительно, выше максимума слоя F² уравнение (26) уже неприменимо, так как не учитывается процесс, который на этих высотах начинает играть существенную роль. Этот процесс - амбиполярная диффузия заряженных частиц. Теперь мы должны ввести в уравнение (26) новый член, определяющий изменение концентрации электронов за счет вертикального переноса путем диффузии:

Формула 31

Возникает вопрос, почему мы не рассматривали процесс диффузии раньше, когда говорили об ионосфере ниже 200 км. Ответ на него связан с уже встречавшимся на страницах этой книги понятием "время жизни".

На высоте, скажем, 150 км фотохимическое время жизни электрона довольно мало (днем -10 с), а время жизни относительно диффузии велико (десятки минут). За те секунды, что электрон "живет", диффузия просто не успевает переместить его на какое-нибудь существенное расстояние. В уравнении (31) это будет означать, что член со мал по сравнению с двумя остальными и им можно пренебречь. Так и получается уравнение фотохимического равновесия (26).

Но скорость процессов диффузии очень сильно зависит от плотности нейтральных частиц в атмосфере. Чем выше эта плотность, тем меньше скорость диффузии. Двигаясь от 150 км вверх, мы обнаруживаем, что скорость диффузии быстро растет (так как падает плотность газа) и соответственно диффузионное время жизни электронов падает. Время жизни относительно фотохимии растет с высотой, поэтому наступает момент (т. е. высота), когда эти времена сравниваются. Выше полностью царит амбиполярная диффузия.

К чему же она стремится? К установлению диффузионного распределения заряженных частиц. Согласно такому распределению, концентрация ионов и электронов должна монотонно уменьшаться с высотой, примерно вдвое медленнее, чем концентрация нейтральных частиц в условиях диффузионного равновесия.

Вот вам и конфликт! Фотохимия стремится установить распределение, при котором концентрация, скажем, электронов непрерывно растет с увеличением высоты. У диффузии прямо противоположная цель - привести заряженные частицы к распределению, при котором их концентрация будет с высотой уменьшаться. Происходит борьба двух процессов - фотохимии и диффузии - за право контролировать поведение ионов и электронов. Кто побеждает в этой борьбе, зависит от соотношения сил (скорости процессов), а последнее меняется с высотой. С ростом высоты скорость фотохимических процессов уменьшается, а эффективность процессов диффузии растет. При движении вверх найдется такая высота, где скорость процессов фотохимических и диффузии окажется сравнимой. Выше заряженные частицы будут подчиняться законам диффузии, а ниже - законам фотохимии. В идеальном случае на этой высоте и будет находиться максимум слоя, образованного "соревнованием" между двумя процессами. Именно так и объясняется в настоящее время существование максимума слоя F₂ - основного ионосферного максимума - в распределении электронной концентрации.

Фотохимия

Такова в общих чертах картина образования области F₂. Объясняет ли она данные наблюдений за поведением этой области? Следует подчеркнуть, что данных этих много - гораздо больше, чем, скажем, об области Е или тем более D. Ведь слой F₂ - главный ионосферный слой - хорошо наблюдается на ионограммах. А значит, об области F₂ мы имеем многочисленные регулярные данные со всей мировой сети станций ионосферного зондирования. Кроме того, на высотах области F₂ регулярно летают искусственные спутники. Они тоже дают много информации о том, как меняются параметры этой области в пространстве и во времени.

Посмотрим, каковы основные особенности поведения области F₂ и как они объясняются современной теорией. Начнем с ночного слоя F₂. Из экспериментов известно, что ночью концентрация электронов в этом слое падает приблизительно на порядок, а высота максимума повышается примерно на 100 км.

Изменение высоты слоя происходит по двум причинам. Ночью, когда источник ионизации практически отсутствует, максимум слоя должен располагаться там, где сравнивается влияние фотохимии (в данном случае - рекомбинации) и диффузии. Днем же за счет того, что максимум скорости ионообразования расположен внизу (ниже 200 км), смещается вниз и максимум [е]. Этот эффект объясняет примерно половину наблюдаемого изменения высот ото дня к ночи. Вторая половина вызвана вертикальным дрейфом заряженных частиц под действием нейтрального ветра. Двигаясь горизонтально, под углом к силовым линиям магнитного поля, заряженные частицы приобретают составляющую движения, направленную вертикально. Вверх или вниз - зависит от того, откуда дует ветер. В период равнодействия, когда суточные вариации проявляются наиболее четко, ветер дует к полюсам днем и к экватору ночью. Соответственно вертикальная составляющая дрейфа оказывается направленной ночью вверх, а днем - вниз.

Объясняемое таким образом увеличение высоты максимума слоя F₂ имеет прямое отношение к проблеме поддержания (вернее, сохранения) ночного слоя F₂. Поскольку, как мы знаем, коэффициент рекомбинации β пропорционален концентрации молекул, а последняя уменьшается с высотой, подъем слоя примерно на 100 км означает перенос его в область медленной рекомбинации. Настолько медленной, что слой не успевает полностью исчезнуть в течение ночи и может сохраняться как остаток дневной ионизации. Это - качественное объяснение существования слоя F₂ ночью. Количественные расчеты показывают, что для согласования с многочисленными наблюдениями необходима небольшая дополнительная "подкачка" ионизации ночью.

Ясен уже и механизм этой подкачки. Ее осуществляют потоки плазмы (ионов и электронов) из более высоких областей.

Оказалось, что ионосфера находится в своеобразных отношениях взаимообмена с расположенной выше плазмосферой. Днем, когда на ионосферных высотах интенсивно идет фотоионизация, ионосфера может себе позволить поделиться частью образующейся плазмы и та устремляется вверх, образуя поток ионов и электронов. Ночью, когда фотоионизации нет, рекомбинация (которая активна в ионосфере, но практически отсутствует в плазмосфере) начинает быстро уничтожать заряженные частицы в области F₂. И здесь плазмосфера возвращает свой долг, посылая потоки плазмы вниз в ионосферу, чтобы поддержать истощенный рекомбинацией профиль электронной концентрации. Таким образом, потоки частиц из плазмосферы (их величина составляет 10⁷-10⁸см^-2×с^-1) вместе с системой нейтральных ветров объясняют обе особенности ночной области F₂ - сохранение достаточно высоких концентраций электронов и подъем максимума слоя.

Вторая особенность области F₂ - так называемая зимняя аномалия (не путать с зимней аномалией поглощения радиоволн в области D). Она состоит в том, что дневная электронная концентрация в максимуме слоя F₂ зимой выше, чем летом. На первый взгляд, это явно противоречит здравому смыслу. Ведь летом больше время облучения атмосферы солнечным излучением, вызывающим ионизацию, значит, должна бы быть больше (а уж никак не меньше!) и концентрация заряженных частиц. Такое поведение [е] в области F₂ выглядело настолько странным, что его назвали летне-зимней аномалией. Так сказать, явное отклонение от кажущегося здравого смысла. Известно при этом, что высота максимума слоя F₂ зимой меньше (на 20 - 30 км), чем летом.

С самого начала исследований зимней аномалии в области F₂ ее пытаются связать с изменением отношения атомных и молекулярных компонент ^[О]/_[N2]. Наиболее простое объяснение состоит в том, что зимой (когда освещенность Солнцем меньше) температуры атмосферы ниже и, следовательно, по законам диффузионного разделения, выше отношение ^[О]/_[N2]. А электронная концентрация, как мы уже говорили, пропорциональна этому отношению.

Выяснилось, что есть еще один фактор, который изменяет равновесную концентрацию электронов при изменении температуры в нужную нам сторону. Этот фактор - константа γ ионно-молекулярной реакции O⁺ + N₂, которая в значительной мере определяет величину коэффициента β. При уменьшении T_н от лета к зиме будет уменьшаться величина γ, а значит, и β, что приведет к росту равновесной концентрации электронов зимой по сравнению с летом при тех же величинах g.

Небольшое увеличение высоты максимума h_M летом по сравнению с зимой тоже легко объясняется в рамках описанной картины. Ведь летом выше р (как за счет роста количества молекул, так и за счет прямого влияния T_н на константу , а следовательно, нижняя часть слоя активнее уничтожается рекомбинацией и максимум перемещается вверх.

Известно, что сезонная аномалия по-разному проявляется на разных широтах и в годы различной активности Солнца. В высоких широтах и в годы максимума активности наблюдается наибольший рост [е] от лета к зиме. В период солнечного минимума и на низких широтах эффект зимней аномалии, как правило, мал. Эти особенности явления объясняют разным характером вариаций параметров все той же нейтральной атмосферы. Из измерений нейтрального состава известно, что амплитуда сезонных вариаций температуры (а следовательно, и концентраций О и N₂) как раз растет с увеличением широты места и солнечной активности. На низких широтах при минимуме активности эти вариации малы и могут перекрываться полугодовыми вариациями состава, о которых мы рассказывали в главе 2.

В самое последнее время благодаря спутниковым измерениям нейтрального состава удалось пролить свет на третью важную особенность поведения области F₂. Речь идет о так называемых отрицательных ионосферных возмущениях. Известно, что во время (или чуть позже) магнитной бури уменьшаются критические частоты слоя F₂, т. е. уменьшается электронная концентрация. Это обычно выражено тем сильнее, чем сильнее буря и чем на более высоких широтах расположена ионосферная станция (на станциях в приэкваториальной зоне отрицательных возмущений не видят никогда). Иногда, однако, возмущение проявляется на среднеширотных станциях, тогда как в высоких широтах ионосфера остается спокойной.

Перестройка

Причину отрицательных возмущений также связывают все с тем же пресловутым отношением ^[O]/_[N2]. Однако объяснить, почему во время магнитной бури уменьшается это отношение (напомним, в области F₂ [e]∞^[0]/_[N2]) на средних широтах, не так просто. Известно, что во время возмущений магнитного поля Земли энергичные частицы из магнитосферы и околоземного космического пространства проникают в верхнюю атмосферу высоких широт, вызывая там целый ряд явлений, от полярных сияний до полного нарушения коротковолновой радиосвязи. При этом в полярной зоне происходит разогрев верхней атмосферы на высотах, больших 120-150 км.

Указанный разогрев может быть причиной того, что во время магнитного возмущения уменьшается отношение ^[O]/_[N2] и соответственно падают равновесные величины [е] в полярной области. Но как объяснить при этом падение (хотя и в меньшей мере) электронной концентрации на средних широтах?

Нагретый в полярной области атмосферный газ может переноситься на более низкие широты в результате так называемой меридиональной циркуляции (т. е. переноса газа на той же высоте вдоль меридиана от полюсов к экватору). При этом газ будет остывать и отношение ^[O]/_[N2] будет возрастать до своего нормального значения. Такая модель качественно объясняет обычное уменьшение амплитуды отрицательного возмущения с уменьшением широты.

Другая модель изменения состава предполагает, что нагретая область атмосферы в полярных широтах может являться источником гравитационных волн. Проникая в среднеширотную атмосферу, эти волны могут вызывать изменение состава (и прежде всего отношения ^[O]/_[N2]) на уровне турбопаузы (105 - 110 км), который определяет состав газа в расположенной выше гетеросфере. Эта модель не так наглядна, как первая, и содержит больше неясностей в физике. Однако есть экспериментальные данные, которые указывают на то, что состав на уровне турбопаузы действительно меняется во время магнитной бури.

Отношения ^[O]/_[N2]

Каков механизм изменения отношения ^[O]/_[N2] в средних широтах, окончательно пока неясно. Но совершенно ясно, что отрицательные ионосферные возмущения действительно контролируются вариациями состава. На спутнике "ЭСРО-4" были проведены аккуратные измерения состава на высотах области F₂ во время нескольких магнитных бурь. Выяснилось, что во время бури ^[О]/_[N2] в области F₂ действительно уменьшается, причем амплитуда этого уменьшения падает с уменьшением широты. Чем сильнее буря, тем сильнее выражен эффект и тем до более низких широт простирается область возмущенной атмосферы (см. рисунок внизу). Эти данные были детально сопоставлены с одновременными наземными наблюдениями изменения f₀F₂. Связь между ^[O]/_[N2] и f₀F₂ оказалась поразительной. Ионосферные станции, расположенные в зоне возмущенной атмосферы, регистрируют отрицательное возмущение, причем его эффект тем сильнее, чем меньше ^[О]/_[N2]. Станции, расположенные вне зоны, отрицательных возмущений не регистрируют. При этом иногда зона возмущений может быть не такой, как на рисунке, и иметь минимум ^[О]/_[N2] в средних широтах. Это объясняет, почему во время некоторых бурь отрицательные возмущения видят только на среднеширотных станциях и не видят в высоких широтах. Но, конечно, объяснить такое широтное распределение ^[О]/_[N2] во время возмущения с точки зрения современной теории еще труднее, чем обычное возрастание ^[О]/_[N2] в высоких широтах.

Так выглядят на сегодня проблемы области F₂. Как мы уже говорили, это область ионосферы, где одна фотохимия не может нести ответственности за все явления. Чтобы понять особенности поведения заряженных частиц, следует привлечь целый ряд совсем других процессов: ам-биполярную диффузию, потоки из плазмосферы, нейтральные ветры, гравитационные волны. Скорее всего, этот список неполон и нам предстоит подробнее узнать о влиянии на область F₂ других факторов, например электрических полей.