Популярная аэрономия

В пользу этого говорит еще и то, что в последнее время появились (пока качественные) идеи объяснения высоких значений I14/I28 в масс-спектрометрических экспериментах. Как мы помним, в лаборатории при калибровке измеряют отношение I14/I28, с которым сравнивают потом измерения в атмосфере.

А что - возникает вопрос - если молекулы атмосферного азота легче распадаются в масс-спектрометре N и N+, чем молекулы лабораторного газа, потому что первые находятся в возбужденном состоянии, а вторые - нет? Ведь мы еще очень мало знаем о состоянии возбуждения атмосферного газа. И вполне можем предположить, что (по крайней мере в случае N2) процент возбужденных частиц достаточно велик. А возбужденные частицы в силу запасенной в них внутренней энергии должны быть более "податливы" к разрушению под внешним воздействием (в нашем случае - под действием электронов ионного источника), чем невозбужденные. Не в этом ли разгадка проблемы высоких I14/I28?

Это пока всего лишь идея, не нашедшая количественного решения. Однако она тем более завлекательна, что в случае удачи мешающие всем высокие значения I14/I28 могут стать отличным индикатором состояния возбуждения одной из важнейших компонент верхней атмосферы - молекулярного азота.

Возбужденные частицы - жители эксайтсферы

В аэрономию все активнее вторгается термин "возбужденные частицы", или "возбужденные специи". Обсуждают химию возбужденных частиц, строят их распределение по высоте, изучают их влияние на различные процессы в верхней атмосфере...

Что же такое возбужденные частицы и почему они привлекают сейчас такое внимание?

Все, о чем рассказывалось до сих пор в этой книге, относилось в подавляющем числе случаев к распределению и физикохимии обычных, невозбужденных атомов и молекул, или, как говорят, частиц в основном состоянии. Это означает, что частицы, о которых идет речь, не имеют другой энергии, кроме обычной кинетической энергии их движения.

Но из физики нам известно, что атомы и молекулы могут обладать кроме кинетической энергии и внутренней энергией, которую они запасают, возбуждаясь на разные уровни в результате различных процессов. Уже на заре исследований верхней атмосферы стало ясно, что возбужденные частицы существуют и в атмосферном газе. Доказательством этого задолго до первых ракетных и спутниковых экспериментов послужило наблюдение собственного свечения атмосферы в различных условиях: ночью, в сумерках, во время полярных сияний. Дело в том, что запасенную внутреннюю энергию возбужденный атом или молекула могут расходовать по-разному. Эта энергия в результате столкновений может быть потрачена на разогрев окружающего газа, образование другой возбужденной частицы в результате химической реакции или перейти в излучение. В последнем случае наш атом (или молекула) излучит квант света. При этом частицы данного сорта в данном состоянии возбуждения могут испустить только квант излучения определенной длины волны. Скажем, атом кислорода в возбужденном состоянии 1S всегда будет давать излучение только с длиной волны 5577 Å (это и есть известная зеленая линия атомного кислорода в свечении ночного неба и полярных сияний), а молекула кислорода в состоянии 1Δg- только излучение в инфракрасной области с длиной волны около 1,27 мк.

Таким образом, линии и полосы излучения являются своего рода "паспортами" различных возбужденных частиц. Именно по этим "паспортам", наблюдая с Земли свечение верхней атмосферы, установили, что в ней существуют возбужденные атомы кислорода в состояниях 1S и 1D, возбужденные молекулы О2 в различных состояниях, наиболее важным из которых, как мы увидим дальше, является состояние 1Δg, возбужденные атомы натрия и возбужденные молекулы гидраксила ОН. У всех этих частиц оказались наиболее ясные "паспорта", поэтому их и отождествили в первую очередь.

В дальнейшем, с развитием наблюдательных средств и лабораторных исследований строения атомов и молекул, список возбужденных частиц, обитающих на различных уровнях в верхней атмосфере, расширялся и пополнялся. Однако в течение многих лет изучение атмосферных эмиссий шло само по себе, в отрыве от изучения основных проблем строения и физикохимии верхней атмосферы. И только относительно недавно стали понимать тесную связь возбужденных частиц с самыми насущными вопросами аэрономии и соответственно стали уделять изучению этих частиц очень большое внимание. Посмотрим, почему.

К сожалению, подробное описание всех или хотя бы значительного числа возбужденных атомов и молекул, изучаемых сейчас в верхней атмосфере, потребовало бы введения слишком большого числа новых (подчас довольно сложных) терминов и понятий, которые не встречались на страницах этой книги и которые значительно усложнили бы ее чтение. По этой причине мы постараемся здесь рассмотреть общие особенности поведения и роли возбужденных частиц в верхней атмосфере и проиллюстрировать возможности, которые открываются при их введении в аэрономию, на нескольких конкретных примерах.

Чем же замечательны возбужденные частицы, чем они отличаются от своих собратьев - атомов и молекул в основном (невозбужденном) состоянии?

Прежде всего своей активностью. Как правило, возбужденные специи более активны, чем невозбужденные, они охотнее вступают в различные химические реакции. Мы уже говорили в этой главе о проблеме окиси азота. Основным путем образования N0 испокон веков считалась реакция атомного азота с молекулами О2

Это уже знакомая нам реакция (41). Однако эффективность (константа скорости) этой реакции для обычных N и O2 очень мала - около 10-16 см3×с-1 при атмосферных температурах. Такая эффективность совершенно недостаточна, чтобы объяснить существующие в атмосфере концентрации окиси азота. Гораздо эффективнее идет эта реакция, если молекула кислорода возбуждена в состояние 1Δg (см. реакцию (43)). В этом случае константа скорости составляет 3×10-15 см3×с-1. Однако и это, как мы видели в первом параграфе этой главы, не решает проблемы N0. А если в возбужденном состоянии 2D находится атом азота, то константа скорости реакции оказывается еще выше - около 10-11 см3×с-1. Теперь уже эффективность процесса достаточно велика и реакция между N(2D) и О2 (см. реакцию (44)) решает проблему источника окиси азота.

Пример с окисью азота является прекрасной иллюстрацией того, как сильно влияет на эффективность реакции участие в ней возбужденных частиц (константа скорости возросла примерно на 5 порядков величины!) и как с помощью таких частиц решается одна из крупных проблем аэрономии.

Значит, химическая активность - первая важная особенность возбужденных атомов и молекул. Ну а вторая?

Вторая - наличие у них дополнительной энергии. За счет этой энергии возбужденные атомы и молекулы могут участвовать в таких реакциях, где участие их невозбужденных собратьев просто невозможно по энергетическим соображениям. Прекрасным примером является ионизация все тех же молекул в возбужденном состоянии О2(1Δg) солнечным излучением с длиной волны 1118-1027 Å. Квант указанного излучения несет энергию около 11 эВ и не может ионизовать нормальную молекулу О2, потенциал ионизации которой равен 12 эВ. Но в возбужденной молекуле О2(1Δg) уже запасено около 1 эВ энергии. Вместе с энергией кванта излучения это получается уже 12 эВ, т. е. столько, сколько необходимо для ионизации. Молекула О2(1Δg) может быть ионизована указанным излучением, которое не способно ничего поделать с молекулами кислорода в основном состоянии.

Третья важная особенность возбужденных специй - это их оптические "паспорта". Ведь раз эти специи непрерывно излучают, мы, наблюдая за поведением соответствующих эмиссий (линий, полос и т. д.), можем судить и о поведении (т. е. об изменении во времени, а иногда - и в пространстве) количества тех или иных возбужденных атомов и молекул в верхней атмосфере. И дело здесь не только в том, что мы узнаем, как изменилось количество самих возбужденных частиц. Ведь изменения, происходящие с этими частицами, отражают происходящие в верхней атмосфере процессы. И сплошь и рядом это могут быть очень важные процессы, постоянный контроль за которыми весьма важен для решения аэрономических проблем.