Рассматриваются современные проблемы фотохимии верхней атмосферы Земли, которые в настоящее время сконцентрированы в основном в области нижней ионосферы (50—200 км). Приводится и обсуждается схема процессов, контролирующих поведение заряженных частиц на различных уровнях в нижней ионосфере. Дан детальный анализ вариаций ионного состава нижней ионосферы и рассматривается связь поведения нейтральных и ионизованных частиц в ионосфере. Подробно описано новое направление атмосферной фотохимии — исследование реакций с участием возбужденных частиц. При этом изучаются обе стороны проблемы: как собственная фотохимия возбужденных атомов и молекул, так и вклад этих частиц в такие важные вопросы физики ионосферы, как ионизация, электронный баланс, образование окиси азота.
Книга рассчитана на физиков и геофизиков, интересующихся исследованиями верхней атмосферы и ионосферы, специалистов, работающих в смежных областях науки и техники, аспирантов, а также студентов университетов и гидрометеорологических институтов.
The modern problems of the upper atmosphere photochemistry, concentrated now mainly in the region of the lower ionosphere (50—200 km), are considered. The scheme of the processes, which governs the behaviour of the ionized particles at different levels in the lower ionosphere, is presented and discussed. The detailed analysis of the ion composition variations is presented and the connection between the behaviour of neutral and ionized particles is considered.
The new direction of the atmospheric photochemistry_the investigation of the processes with excited par-
ticles — is treated in details. Both sides of the problem are considered — the photochemistry of the excited atoms and molecules as itself and the contribution of these particles to such important questions of the ionospheric physics as ionization, electron detachment, nitric oxide formation.
The book may be useful for research scientists in physics and geophysics, who are interested in the upper atmosphere and ionosphere researches as well as in molecular, electron and plasma physics.
ПРЕДИСЛОВИЕ
с
В последнее десятилетие настолько возрос интерес специалистов разных областей науки к изучению процессов, протекающих в верхних слоях земной атмосферы, что лавина непрерывно появляющихся работ в этой области грозит в самое ближайшее время превысить реальные возможности даже беглого ознакомления : ними для одного исследователя. Практически все экспериментальные данные об исследовании параметров верхней атмосферы появляются сейчас в обрамлении соответствующих теоретических рассуждений, дающих объяснение измеренных величин с точки зрения механизмов и процессов, определяющих их поведение. Теоретики атмосферной физики непрерывно создают новые (как правило, все более сложные) модели физических и химических процессов, призванные объяснить экспериментальные данные как об отдельных параметрах, так и о всей совокупности таковых, скажем, в определенной области атмосферы или ионосферы. Наконец, физики-экспериментаторы со все увеличивающейся частотой публикуют новые результаты измерений эффективности реакций, которые идут (или предполагается, что могут идти) в условиях верхней атмосферы.
Такое значительное и непрерывное увеличение интереса к изучению агрономических процессов вполне понятно. Верхняя атмосфера Земли становится объектом, данные о котором нужны для решения целого ряда достаточно очевидных прикладных задач. С увеличением числа задач и их усложнением повышаются и требования к детализации наших знаний о различных параметрах верхней атмосферы, что приводит к необходимости построения все более сложных моделей верхней атмосферы, включающих большее число параметров, дающих большую точность величин, учитывающих более тонкие вариации. Решение же последней задачи совершенно невозможно без детального знания процессов (и в том числе фотохимических), контролирующих поведение параметров верхней атмосферы. Несмотря на все увеличивающееся количество экспериментов по прямому исследованию атмосферных параметров, решить задачу построения достаточно полных и подробных моделей (или карт) верхней атмосферы с помощью только экспериментальных Данных невозможно. Изменчивость верхней атмосферы столь
1* ч
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие .............................. 3
Введение ................................ 5
Глава 1. Становление взглядов на процессы, ответственные за преобразование и гибель заряженных частиц в ионосфере..... 9
1.1. Гипотеза диссоциативной рекомбинации............. 9
1.2. Появление ионно-молекулярных реакций............ 12
1.3. Сопоставление скорости нейтрализации с энергией ионизующего излучения Солнца........................ 14
1.4. Пересмотр взглядов на величины эффективного коэффициента рекомбинации в ионосфере ................... 17
1.5. Подтверждение высоких скоростей диссоциативной рекомбинации и ионно-молекулярных реакций в ионосферных и лабораторных исследованиях......................... 21
1.6. Новые данные о солнечном ионизующем излучении и современные представления об энергетике ионосферных процессов ...... 29
Глава 2. Современная фотохимическая теория и объяснение поведения
ионных концентраций выше 100 км............. 36
2.1. Выбор системы процессов и решение уравнений баланса..... 36
2.2. Модель высотного распределения ионных концентраций..... 40
2.3. Зависимость концентраций ионов и электронов от интенсивности солнечного излучения и концентрации нейтральных частиц 46
2.4. Связь концентраций заряженных частиц с изменением нейтрального состава.......................... 48
2.5. Модель суточных вариаций ионного состава........... 50
2.6. Особенности поведения ионного состава в области Е..... 58
Глава 3. Фотохимия возбужденных молекул кислорода в состоянии 'Ag 73
3.1. Наблюдения.......................... 73
3.2. Теория образования CbOAg).................. 80
3.3. Участие молекул CbOAg) в фотохимических процессах в ионосфере .............................. 92
Глава 4. Колебательно-возбужденные молекулы О2 и NJ в верхней атмосфере .......................... 98
4.1. Процессы образования и гибели колебательно-возбужденных молекул азота и кислорода.................... 99
4.2. Распределение колебательно-возбужденного кислорода в верхней атмосфере........................... 103
4.3. Распределение колебательно-возбужденного азота в верхней атмосфере ............................ 108
4.4. Участие молекул О* и Nj B ионосферных процессах...... 113
189
Глава 5. Фотохимия окиси азота и атомного азота.......... 120
5.1. Классическая схема процессов в кислородно-азотной смеси .... 121
5.2. Экспериментальные данные о распределении NO и N в верхней атмосфере........................... 123
5.3. Современные фотохимические модели распределения NO и N в верхней атмосфере....................... 126
5.4. Влияние процессов переноса на распределение атомов азота и NO 133
Глава 6. Ионизационно-рекомбинационные процессы в области D ионосферы........................... 137
6.1. Источники ионизации в ионосфере ниже 100 км....... 138
6.2. Распределение основных параметров ([е], [Х+] и а') в нижней ионосфере ............................ 140
6.3. Фотохимия положительных ионов................ 144
6.4. Фотохимия отрицательных ионов ................ 152
Глава 7. Возбужденные частицы О2(Л32+), О('5) и Oz(blli?) в верхней атмосфере....................... 166
7.1. Наблюдения.......................... 166
7.2. Образование О(1S) и О2(Л32+) в атмосфере.......... 169
7.3. Образование О2(б1 2+) в атмосфере............... 176
7.4. Роль молекул О2(6'2+) и О2(Л32+) и атомов O('S) в фотохимии верхней атмосферы.................... 181
Заключение.........,...................... 185
Цена: 150руб.
