Популярная аэрономия

Хотя слои метеорных ионов регистрировались примерно в двух десятках масс-спектро-метрических экспериментов, закономерность их появления все еще плохо понятна. Известно лишь, что чаще всего эти слои появляются в двух высотных интервалах: 92 - 93 и 105 - 110 км. Однако регистрировались такие слои и на других высотах, практически во всей области от 80 до 140 км. Другая особенность этих слоев - одновременное появление нескольких различных ионов (скажем, Mg+, Fe+, Na+) внутри одного слоя. При этом относительная концентрация метеорных ионов может быть различна - в одних случаях в слое доминирует Fe+, в других - Mg+, а иногда слой может состоять, скажем, практически из ионов Na+ с небольшой добавкой К+, Са+ или других ионов. В целом, чаще в таких слоях встречаются, ионы магния и железа.

Что касается физикохимии метеорных ионов, то она все еще известна очень плохо. Единственное, что представляется несомненным - это роль механизма ветрового сдвига (см. главу 4, о ночной ионизации выше 100 км) в формировании узких слоев указанных ионов и связь их с появлением спорадического слоя Es.

Но вернемся к описанию "нормального" ионного состава. Двигаясь вверх от области Е, мы обнаружим, что относительное количество (т. е. доля [NO+]/[e] и [0+]/[е] ионов N0+ и 0+ начинает уменьшаться. Их вытесняют ионы атомного кислорода, которые уверенно регистрируются с высот 130 - 140 км. Относительная концентрация ионов 0+ быстро возрастает с высотой и уже на высотах 170 - 190 км днем количество ионов 0+, с одной стороны, и NO+ и О2+ - с другой, оказывается равным. Выше безраздельно доминируют ионы 0+ и ионосфера становится практически чисто атомной. Однако ионы N0+ и О+ прослеживаются масс-спектрометром до больших высот - в максимуме области F2 их концентрация составляет около 1% общей концентрации ионов. И это, как мы увидим, очень важно. Ведь молекулярные ионы очень активные участники процесса рекомбинации. Даже в таких малых относительных количествах они все еще играют первую скрипку в рекомбинаций в слое F2.

Почти одновременно с ионами О+ на масс-спектрах начинают появляться ионы атомного и молекулярного азота (N+ и N2+). Ионы N+ ведут себя как младший партнер ионов атомного кислорода - высотный профиль N+ довольно точно повторяет профиль ионов О+, однако концентрация составляет около 10% от [О+]. Ионы N+ образуют в ионосфере типичный слой с максимумом на высотах 180 - 220 км, причем эти ионы всегда остаются малой ионной компонентой - их относительная концентрация обычно не превосходит 10 - 15 %.

Выше максимума области F2 к безраздельно господствующим там ионам О+ начинают примешиваться ионы гелия, а потом и водорода. Ионы гелия не в силах составить достойной конкуренции ионам 0+ и так и остаются малой ионной компонентой, достигая максимальной относительной концентрации 10-20% на высотах 500 - 600 км. А вот относительная концентрация ионов водорода неуклонно растет с высотой и наступает момент (точнее, высота), где концентрации Н+ и 0+ сравниваются. Выше доминируют ионы Н+. Это и есть протоносфера.

Ночью изменение ионного состава с высотой происходит в принципе так же, с той лишь разницей, что смена режима от молекулярных ионов к 0+ происходит на больших высотах. Ионы N+ и N2+, как правило, ночью не регистрируются.

Все, что мы рассказали здесь об изменении ионного состава с высотой, отображено на двух рисунках на стр. 35 (для дня и ночи соответственно). На этих рисунках показано относительное содержание всех рассмотренных ионов, причем ширина области, занятой данным ионом на данной высоте, равна его относительной концентрации в процентах. Например, на высоте 200 км днем [0+]/[е] = 45 %; [N+]/M = 5% ; [N2+ ]/[е] =10%; [NO+]/[e]=20 % и[О2+]/[е] = 20%.

Какова температура электронов

Мы уже говорили о температуре верхней атмосферы. Говорили об ее изменении и о связанном с ним делении атмосферы на области. Но при этом всюду шла речь о температуре нейтральных частиц Тн.

Возникает вопрос: будут ли заряженные частицы в ионосфере иметь ту же температуру, что и нейтральные атомы и молекулы окружающего газа? Вопрос этот, далеко не простой, вызвал в свое время много дискуссий, а некоторые частные проблемы не решены до конца и по сей день.

На вопрос о том, отличается ли температура ионов Ти от температуры нейтралов Тн, сегодня следует ответить отрицательно. Нет, достаточно тяжелые ионы не успевают получить необходимого избытка энергии, чтобы их температура повысилась заметным образом, поэтому считают (в пределах современных точностей), что Ти=Тн.

Другое дело легкие частицы - электроны. Они (как и ионы) получают избыток кинетической энергии в самом акте своего рождения. И этот избыток приводит к тому, что электроны оказываются горячее окружающего их нейтрального газа. Сколь велика разница Те - Тн, зависит от того, насколько быстро происходит "охлаждение" электронов в столкновениях с нейтралами. Чем выше плотность атмосферы, тем чаще столкновения и тем труднее электрону удержать свой избыток энергии, тем меньше будет Те - Тн.

Именно поэтому в области D, где плотность нейтральных частиц велика, электронная температура никогда не отличается заметным образом от нейтральной. В то же время в области F температура электронов днем в 1,5 - 2 раза выше, чем температура нейтралов, и может достигать 3000 С. Ночью разница Те - Ти существенно уменьшается, ню все же на высотах области F2 может составлять несколько сот градусов.

Острее всего стоит сейчас вопрос о дневных Те в области Е и непосредственно над ней. Зондовые измерения дают превышение Те над Тн уже на 100 - 110 км, и соответственно дневные Те на 110 - 150 км равны примерно 600- 1000 К (при Тн в пределах 300 - 600 К. В то же время измерения с земли методом некогерентного рассеяния не обнаруживают никакой разницы между температурами электронов и нейтралов на этих высотах. При измерениях этим методом Те начинает превышать Тн только с высоты 150 - 160 км. Явное противоречие налицо. Вот и попробуйте построить эмпирическую модель электронной температуры!

Оба метода (и зондовый, и некогерентного рассеяния) имеют, конечно, свои трудности и недостатки. Но даже с учетом этих трудностей пока не удается привести результаты различных измерений Те в области Е к одному знаменателю. Чем больше проводится проверок и уточнений, тем прочнее стоят сторонники каждого метода на своих позициях. А разница остается. И это тем более удивительно, что на больших высотах никаких систематических расхождений эти два метода не дают. Ну а на высотах 110 - 150 км каждый выбирает ту электронную температуру (по зондовым или наземным измерениям), которая ему больше нравится... Как в среднем изменяется температура электронов с высотой в ионосфере днем и ночью, показано на рисунке.

Сейчас активно изучается вопрос о вариациях электронной температуры. Уже ясно, что Те выше, скажем, 160 км (не будем пока касаться скользкой области высот 100 - 150 км) испытывает сильные вариации в течение суток. Точнее говоря, электронная температура, видимо, тесно связана с зенитным углом Солнца. Это и понятно, поскольку поглощение коротковолнового излучения Солнца является основным источником нагрева ионосферной плазмы.

Другие вариации Те не так хорошо установлены и не так понятны. Похоже, что электронная температура на данной высоте при сходных условиях будет тем выше, чем выше солнечная активность (скажем, число Вольфа), и тем ниже, чем сильнее магнитное возмущение (чем больше, скажем, магнитный Криндекс). Однако надежных количественных данных пока нет.