Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Особенности ионосферной плазмы высоких широт во время сильных возмущений 9-62
1.1. "Классическая" схема физико-химических процессов в полярной ионосфере 9-34
1.2. "Аномалии" нейтрального и ионного состава в возмущенной полярной ионосфере 34- 44
1.3. Энергичные электроны в дугах полярных сияний 44- 52
1.4. Дуги полярных сияний 53- 60
1.5. Электрические поля и токи 50- 62
ГЛАВА II. Функция распределения электронов и энергетический баланс в ионосфере при наличии электрических полей и потоков энергичных электронов 63-110
2.1. Кинетическое уравнение 54- 75
2.2. Скорости охлаждения электронного газа в ионосфере 76- 79
2.3. Результаты модельных расчетов 79- 90
2.4. Обсуждение результатов расчета ФРЭ 90-100
2.5. Бесстолкновительная диссипация энергии авроральных электронов
2.6. Турбулентный слой в авроральной ионосфере I07-II0
ГЛАВА III. Колебательная кинетика молекул ни образование окиси азота в возмущенной полярной ионосфере Ш-ІЗб
3.1. Схема образования NO в дуге полярного сияния II2-II8
3.2. Колебательная релаксация молекул N3 (аналитическое приближение) 118-122
3.3. Окисление колебательно-возбужденного азота 122-132
3.4. Роль молекул N^(A 2а) в образовании N0 132-136
Заключение 137-138
Литература
- "Аномалии" нейтрального и ионного состава в возмущенной полярной ионосфере
- Электрические поля и токи
- Скорости охлаждения электронного газа в ионосфере
- релаксация молекул N3 (аналитическое приближение)
Введение к работе
В последнее время все большее внимание уделяется изучению динамики полярной ионосферы, так как именно в высоких широтах зарождаются возмущения термосферы и ионосферы, которые в дальнейшем передаются на более низкие широты. Важный, с точки зрения осуществления надежной радиосвязи, вопрос распространения в ионосферной плазме может быть решен только после тщательного изучения процессов, протекающих в авроральной ионосфере.
Характерным для возмущенной полярной ионосферы является наличие интенсивных электрических полей и токов. Токи, текущие поперек силовых линий геомагнитного поля, сосредоточены в узкой области высот 100 « Л *- 130 км [l-З] на эти же высоты приходится и максимум джоулева нагрева. Существование продольных токов [4-6], осуществляющих электродинамическую связь ионосферы и магнитосферы, в настоящее время также надежно установлено и не вызывает сомнений. В возмущенные периоды появляются "волокна", интенсивность тока в которых на I * 2 порядка превышает невозмущенный уровень [7-Ю], При этом заметная часть тока переносится энергичными (энергии 6^- кэВ) электронами, высыпающимися в ионосферу. Вторжение в ионосферу ( П— 200 км) потоков энергичных электронов создает сильные возмущения ионосферной плазмы В -области, видимым отражением которых являются полярные сияния. Известна сильная корреляция с интенсивными полярными сияниями таких явлений, как ра-диоаврора, всплески ИК-излучения и др. Эксперименты на ракетах показывают также сильные изменения состава ионосферной плазмы в районах полярных сияний.
Таким образом, при построении моделей возмущенной авроральной ионосферы включение в рассмотрение электрических полей и высыпающихся энергичных электронов является необходимым, но как показали уже первые результаты, далеко недостаточным. Действительно, полярная ионосфера, оставаясь менее исследованной в силу сложности процессов, протекающих в ней, стала изучаться уже после того, как в средних широтах были разработаны хорошо известные теоретические модели термосферы и ионосферы (см.напр. ["II-I5J). Естественно, что при моделировании полярной ионосферы широко используют схемы, общепринятые для средних широт с учетом наличия электрических полей и токов [16-20]. Указанный подход (далее он будет именоваться "классическим") заключается в следующем: вторгающийся поток энергичных электронов теряет свою энергию на ионизацию и возбуждение нейтральных частиц, создавая при этом потоки вторичных электронов и свечение [21-26]; далее, используя разработанные для средних широт схемы ионно-молекулярных реакций, определяют ионный и нейтральный состав [17, 27-30] ; для определения теплового баланса учитывается нагрев в поперечном электрическом поле [17, 31-32] в предположении о максвелловском характере распределения электронов.
Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими расчетами указывает на то, что в некоторых случаях "классические" представления неадекватны реальности.
Во-первых, как показывают данные ракетного зондирования, спектр вторичных электронов почти всегда отличается от теоретического (деградационного); во-вторых, наблюдаются аномально высокие концентрации окиси азота и интенсивности его свечения в ИК-диапазоне; в-третьих, существуют очень узкие по высоте слои повышенного содержания электронов или свечения в видимом диапазоне, и ряд других данных.
Существенно, что эти "аномалии" наблюдаются в областях дуг полярных сияний, где происходит наиболее интенсивное выделение энергии электронных потоков и существуют значительные элетричес-кие поля.
Таким образом, необходимо выявить неучтенные в "классической" схеме процессы, которые могут протекать в возмущенной ионосфере высоких широт в присутствии интенсивных электрических полей и потоков энергичных электронов.
При этом, по-видимому, наиболее последовательный подход заключается в определении функции распределения частиц ионосферной плазмы в электрическом поле, прежде всего, наиболее подвижной ее части - электронной компоненты. В сложной смеси газов, которой является ионосфера, эта задача может быть решена только численно.
Вместе с тем, присутствие электрических токов и потоков энергичных электронов означает, вообще говоря, что плазма неравновесна. Поэтому, необходимо также учитывать при моделировании возможность генерации плазменных колебаний, которые могут изменить темп диссипации энергии электронных потоков и нагрева электронной компоненты по сравнению с чисто столкновительными моделями.
Целью диссертации является:
Систематизация экспериментальных данных, не находящих объяснения в рамках "классических" представлений и анализ характерных условий, в которых они наблюдаются.
Численное исследование функции распределения электронов в присутствии электрических полей и потоков энергичных электронов для определения основных каналов распределения энергии в процессе взаимодействия электронов с нейтральными частицами.
3. Численное моделирование плазмохимических реакций в^рав- новесной (турбулизованной) ионосферной плазме для изучения изме нения состояния ионосферы под воздействием электрических полей и токов и потоков энергичных электронов.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 88 страниц текста, 40 рисунков и 10 таблиц, а также список литературы 191 наименование.
Главы делятся на параграфы. Нумерация формул, таблиц и рисунков в диссертации проводится по главам.
В первой главе дан критический анализ экспериментальных данных на основе "классических" представлений о процессах в области дуг полярных сияний. Представлены результаты расчета деградацион-ного спектра, показывающие возможный диапазон изменения ФРЭ и скоростей ионизации и возбуждения в Б области. Приведены данные о концентрациях и интенсивностях свечения в ИК-диапазоне окиси азота, об узких по высоте профилях и интенсивностях полярных сияний, которые не укладываются в рамки "классических" представлений. Представлены данные ракетных и спутниковых измерений об электрических полях и токах в высокоширотной ионосфере. Приведены основные характеристики спектров авроральных электронов и показано отличие спектра вторичных электронов от деградационного.
Во второй главе исследовано влияние электрических полей на функцию распределения электронов (ФРЭ). В основу исследования легло численное решение кинетического уравнения для электронов ионосферной плазмы. Ясно, что корректность полученных результатов во многом определяется правильным выбором сечений взаимодействия электрона с нейтральными частицами. Показано, что скорости охлаждения, вычисленные с учетом современных представлений о сечениях возбуждения вращательных и колебательных уравнений молекул N^ и 02 имеют большую величину, по сравнению с используемыми в ионосфере в настоящее время. Исследовано влияние отдельных членов уравнения на численное решение в широком диапазоне электрических полей. Представлены результаты численного решения кинетического уравнения, для нескольких высот в Е -области во время протекания интенсивного продольного тока.
Исследовано поведение ФРЭ в случае бесстолкновительной деградации энергии высыпающихся авроральных электронов. Показаны причины образования в ионосфере узких по высоте слоев электронов с высокой температурой. Показана возможность развития аномального сопротивления в перегретом слое, вследствии возбуждения ионно-звуковой турбулентности.
Третья глава посвящена численному моделированию состава ионосферной плазмы и в первую очередь образованию окиси азота в дугах полярных сияний. Проанализированы основные каналы образования N0 в возмущенной полярной ионосфере и показана важная роль электронно и колебательно-возбужденных частиц.
С помощью аналитической теории колебательной релаксации ангармонических осцилляторов получены времена установления функции распределения молекул N2 по колебательным уровням в дугах полярных сияний.
Проведено численное моделирование колебательной кинетики молекул N2 » с учетом химических реакций окисления азота и разогрева нейтрального газа. Численно показана важная роль электронно-возбужденных молекул ІМр в образовании N0 .
В заключении перечислены основные результаты полученные в диссертации.
"Аномалии" нейтрального и ионного состава в возмущенной полярной ионосфере
На протяжении всего периода времени исследования ионосферы в литературе появлялись сообщения о наблюдениях необычно высоких концентраций окиси азота и атомарного азота, интенсивностей видимого спектра и инфракрасного излучения на длине волн Я =5,3 мкм, отношений о7 о+ и N070 . При этом "аномалии" наблюдались в основном в ракетных экспериментах в возмущенной полярной ионосфере, а именно, в активных формах полярных сияний.
Интерес к необычным результатам ракетного зондирования;- обусловлен необходимостью понимания физико-химических процессов, протекающих в дугах полярных сияний, их важностью для динамики авроральной ионосферы в целом.
Ниже приведены данные измерений "аномального" нейтрального и ионного состава и показано, что их невозможно объяснить в рамках общепринятых представлений.
Окись азота В первую очередь необходимо рассмотреть хорошо известный эксперимент [64] по измерению высокого содержания N0 в дуге полярного сияния. В свое время он вызвал горячую дискуссию о проблеме окиси азота в верхних слоях атмосферы. С тех пор в литературе периодически появляются работы, в которых или предлагаются возможные механизмы образования или делается категорическое утверждение о невозможности образования столь высоких концентраций, как в[б4]. При этом проблема рассматривается, как правило, без учета конкретной гелио-геофизической обстановки во время проведения эксперимента.
В работе [64] приводятся экспериментальные данные, полученные на ракете А ЄГО бее [4.309VA] , запущенной в ф.Черчиль 25 марта 1970 г. в 0445 ЦТ, в яркую дугу ( I ВС П ) полярного сияния. На ракете была установлена аппаратура для измерений нейтрального и ионного состава, потоков высыпающихся (1« Ь0 28 кэВ) и вторичных (I 6 1000 эВ) электронов, интенсивностей свечения отдельных линий спектра.
Наиболее интересным результатом работы [ 64] является измерение высокого содержания N0 в интервале высот II0-I30 км, порой даже превышающее концентрацию U . Так на высоте П = 120 км наблюдался следующий нейтральный состав:
К сожалению, в работе [б4] не приводятся данные о нейтральном составе на других высотах. Исходя из приведенных в параграфе І.І. реакций, можно грубо определить минимальную скорость образования концентраций IMU порядка 0г 3 Ю10см"3 Vn=[NMNO].K-3-407CM-3C4 при условии, что концентрация [N] ю"2 [N0]
Из многочисленных экспериментов известно, что концентрация электронов в области С не превышает величину Пе 2 10 см . Из этого можно заключить, что максимальная скорость новообразования с учетом зависимости коэффициента рекомбинации cL от температуры электронов ісм.таб.1.5) не может превышать величину
Полученное в рамках классической схемы образования N HNO противоречие между минимально необходимой скоростью образования N0 и максимально возможной скоростью ионизации, привело авторов [28], придерживающихся аналогичной схемы, к выводу, что концентрация N0 в ионосфере не может превысить величины 0,1 [ 0 J ни при каких условиях. Здесь уместно отметить, что в работах [б5,6б] была показана принципиальная возможность образования N0-0, с привлечением дополнительного канала образования N0 через окисление колебательно возбужденных молекул И. Подробно этот канал образования будет рассмотрен в главе 3. Здесь только отметим, что проблема образования высоких концентраций МО в работах [28, 66,65] решалась в общем без привязки к конкретному эксперименту [б4] , а именно: по свечению и ионному составу.
Ионный состав Исследуемая дуга характеризовалась большими потоками первичных электронов в диапазоне 10 25 кэВ и большой плотностью ионосферных электронов Пе 10 см в диапазоне высот п 95 115 км.
В работе [64] приведен высотный профиль интенсивности 1-й отр. полосы \L на длине волн X = 3914 й, который характеризует профиль ионизации энергичными электронами. Согласно оценкам авторов [64] максимум ионизации располагается на высоте п = 102км и составляет величину
Электрические поля и токи
С уменьшением потока первичных электронов 6 смещается в сторону больших энергий. Так в дуге I класса закон спадания сохраняется до 60 эВ [95], приближаясь к деградационному спектру. Здесь уместно будет напомнить результат полученный в I.I, что деградационный спектр в интервале энергий 7 8 20 эВ имеет вид Ф(6) 6 , а в интервале 20 S 80 эВ - Ф(Й 6 .
Таким образом, во всем интервале энергий от нескольких эВ до I кэВ экспериментально наблюдаемый спектр электронов отличается от деградационного в интервале высот от 1000 км и ниже вплоть до 120 км.
Для объяснения указанного расхождения предложено два механизма ускорения, обеспечивающие более пологие экспериментальные спектры: I) наличие электростатических продольных полей, ответственных за ускорение электронов ([84,80,82,90] см.ниже 1.6); 2) развитие пучковоплазменной неустойчивости, приводящее к коллективному ускорению резонансных электронов ( [ 97-101] , см. 2.5). Можно следующим образом сформулировать основную суть этих двух гипотез: для корректного описания ФРЭЭ в дугах полярных сияний в уравнение І.І должен быть добавлен член гт\1)-Тг ) , учитывающий диффузионный характер ускорения электронов в электрических полях, где 3) - коэффициент диффузии в энергетическом пространстве. Исследованию влияния электрических полей на ФРЭЭ и посвящается Вторая глава.
Интенсивное свечение ночного неба в высоких широтах, получившее название "полярное сияние" или "аврора" изучается около 300 лет. За это время были выявлены основные закономерности появления и местонахождения полярных сияний, выделены характерные типы сияний. К настоящему времени принята единая классификация сияний по интенсивности свечения линии 5577 атома кислорода. По мере развития аэрономии стали понятными механизмы, ответственные за разные типы сияний. Многолетние наблюдения показали, что чаще всего сияние "загорается" в результате вторжения электронов с энергией 5 4- 10 кэВ, хотя наблюдаются и другие виды сияний. В целом интенсивность свечения, рассчитанная с привлечением указанных в І.І. методов расчета, находится в хорошем соответствии с наблюдаемой. И поэтому часто по высоте сияния определяют характерную энергию вторгающихся электронов.
С другой стороны, как было показано в 1.3, спектр электронов зачастую отличается от деградационного. Поэтому необходимо рассмотреть особенности свечения в полярных сияниях,отличия от предсказываемых по столкновительным расчетам.
В работе [l02] приводятся результаты наблюдения телевизионной (ТВ) камерой дуг полярных сияний. Время экспозиции ТВ-камеры порядка 1/60 с, а чувствительность находится в интервале длин волн 4000 7000 й. Максимальная чувствительность пленки находится вблизи длины волны 4200 &. Следовательно, основной вклад в высотный профиль дает I отр. система полос Ng, Авторы [ 102 3 отмечают, что обычно наблюдается один максимум в интенсивности свечения, который располагается в интервале высот II0-I20 км, однако, иногда в тонких дугах наблюдаются структуры с двумя максимумами (см.рис.І.ІЗ). В приведенном примере нижний максимум расположен на высоте П — 114 км, а верхний на 12 14 км выше. В работе [I02J делается предположение о том, что двухслойный профиль свечения образуется в результате одновременного вторжения в атмосферу двух пучков электронов: анизотропного пучка вдоль поля с энергией Ьо 2.7 3 кэВ и изотропного с энергией t0 5.9 кэВ. Основание для такого предположения послужило сообщение [84] о наблюдении такого типа высыпаний с подобными характерными энергиями. Предложенная в [102] интерпретация наблюдаемых в тонких дугах профилей свечения выглядит убедительной, хотя есть одно обстоятельство, на которое следует обратить внимание. Вертикальные размеры нижнего и верхнего слоев практически совпадают, тогда как верхний слой должен быть гораздо шире. Действительно размер верхнего слоя порядка 6-8 км, что, как было показано выше ( I.I), значительно меньше ожидаемого [ 24], в предположении о столкновительном характере диссипации энергии. Аналогичные результаты были получены с помощью ТВ-камеры на о.Хейса [ЮЗ].
Прямые измерения свечения в различных линиях были проведены на ракетах Аегобее в двух пусках (4-162 и 4-163) [ 91 ] . На борту ракет были установлены фотометры с фильтром, которые непрерывно изменяли яркость линий Я = 5577 Я [0( S -Ю)] , X = 3914 ft N (І отр) и Л = 6765 ft Hz (I пол). Одновременно наблюдался поток электронов. В первом случае ракета (4-162) была запущена в стабильную дугу П класса.
Скорости охлаждения электронного газа в ионосфере
При моделировании ионосферной плазмы необходимым элементом является расчет концентрации и температуры электронов. Для корректного определения последней следует решать кинетическое уравнение (2.1). В силу сложности таких расчетов большинство авторов (см.напр., [17,141,142] ) предполагают распределение электронов по энергии максвелловским. В результате задача сводится к решению уравнения теплопроводности для электронного газа где TQ температура электронов, 0 , Le HVcfe соответственно нагрев, охлаждение и перенос энергии электронов.
Второй член в правой части уравнения (2.2) можно представить в следующем виде: где [\j - концентрация і -ой составляющей нейтральной атмосферы; Lj - скорости потери энергии электроном в результате уп-ругого соударения с нейтральной частицей, индекс I =1.2 относится соответственно к Мг и 0 Lu - скорость потери энергии электроном в результате возбуждения I -ого уровня І -ой компоненты, Пе - концентрация электронов, L кул-потери энергии при упругом взаимодействии электрона с ионами. Анализ величин Lf и Lu показывает, что при температурах электронов Те 3000К основной вклад вносят процессы возбуждения вращательных и колебательных уровний N2, и 0 и тонкой структуры 0 . Скорости охлаждения электронного газа в О здесь рассматриваться не будет, так как сечение возбуждения тонкой структуры (см.рис.2.4), взято из работы [139] , в которой они рассчитываются. Скорости охлаждения электронного газа в N и (\ , применяемые обычно (см.напр. [17, 141, 142] ) получены с использованием сечений [124,126,143] , отличных от приведенных на рис.2.1. и 2.2.) Сравнительно недавно было показано [144], что сечение резонансного возбуждения вращательных уровней молекулы Н значительно (до 10 раз для о I эВ) превышает используемое в [124,126] сечение, которое рассчитано в Борновском приближении [і4б] в предположении о квадрупольномзарактере взаимодействия электрона с молекулой. Кроме того, в последнее время появилось значительное число экспериментальных работ по измерению сечений колебательного и электронного возбуждения молекул (\І2 и 2 .
Учет современных представлений о процессах взаимодействия электрона с молекулами \І2 и Ог позволил авторам [120,122] "настроить" по методике [ 12б]сечения возбуждения (см.рис.2.1. и 2.2), дающие наилучшее согласие с результатами измерений в газовом разряде.
На р#с.2.7. приведены скорости охлаждения электронного газа, рассчитанные в предположении о Максвелловском распределении электронов по энергии. Видно, что скорость охлаждения с учетом резонансного возбуждения вращательных уровней (кривая I на рис.2.7) значительно превышает обычно используемую величину из 146 во всем диапазоне температур. В то же время, для возбуждения колебательных уровней скорость потери энергии при 1е -2000К значительно ниже результата, полученного в 146 . Это связано с тем, что авторы [124,126] были вынуждены увеличить сечение возбуждения уровня V =1 в пороговой области (0.29-1.5 эВ) для лучшего согласования транспортных коэффициентов ( Vcjp и 3)//1( ), т.к. они не учитывали резонансное возбуждение вращательных уровней.
На рис.2.8. приведены скорости охлаждения электронного газа в 0г [14б] (пунктир), рассчитанные с использованием сечений [143] , а также [ 147] (точка-пунктир), основанные на измеренных методом электронных ловушек сечениях [148]. Здесь же приведены скорости охлаждения, рассчитанные с использованием сечений [120] (сплошная линия). Скорость охлаждения [I47J , основывающаяся на использовании только сечений [148] дают более низкие значения, т.к. эксперимент [148] был проведен в ограниченном интервале энергий ( 6 4 эВ). Следовательно, в Г147] не учитывается вклад более энергичных электронов в полную скорость охлаждения.
В данном параграфе стояла задача проанализировать используемые выражения для скоростей охлаждения в свете современных данных о процессах взаимодействия электронов с молекулами N и V . Как видно, из рис.2.7. и 2.8., различие оказалось существенным и, следовательно, [149] :
1. Учет резонансного возбуждения вращательных уровней N2, приводит к увеличению суммарной скорости охлаждения электронного газа для \е 2000К, несмотря на уменьшение скорости возбуждения колебательных уровней.
2. Суммарная скорость охлаждения электронного газа в О оказывается ближе к значению, даваемому в [146] , а повсеместно используемые значения из [147] являются заниженными.
релаксация молекул N3 (аналитическое приближение)
В лабораторной плазме хорошо известно явление называемое аномальным сопротивление [159] . Оно неоднократно наблюдалось в экспериментах [160] и заключается в том, что при превышении электрическим током некоторого критического значения )кр в неизотермической плазме увеличивается на один-два порядка сопротивление. Это вызвано рассеянием электронов на флуктуациях электрического поля, возникающих в результате развития ионно-звуковой неустойчивости.
В 2.4. было показано (см.рис.2.17. и 2.18), что при Не 10 см и j„ 2 10 /Мг температура электронов не превышает 0.1 эВ и отношение е/ II не достигает пороговых для развития ионно-звуковой неустойчивости значений ( 1е/Ц,5; отметим, что I» Vup /\/р \ ТуГ т0 согласУется с выводами работы [161,162] о возможности раскачки ионно-звуковых колебаний только во внешней ионосфере П 1000 км. Следовательно, для создания условий развития ионно-звуковой неустойчивости в области Ь необходим дополнительный источник нагрева электронного газа (ионно-циклотронные колебания, неустойчивые и при I,g / Гі 1 » не обеспечивают необходимую эффективную частоту соударений). Время действия такого источника должно быть не менее времени установления квазистационарной ионно-звуковой турбулентности. Последнее, очевидно, состоит из времени нагрева электронов
Следовательно, можно заключить, что кратковременное высыпание интенсивного пучка энергичных электронов способно инициировать развитие в узком слое на высотах с области ионосферы ионно-звуковой турбулентности и обеспечить, тем чамым - поддержание температуры электронов на уровне » 0.5 эВ в течение времени существования системы интенсивных продольных токов в дугах полярных сияний П класса. Джоулев нагрев в этом "турбулентном слое" ("Т-слое") обеспечивает величину энерговклада [167]. необходимую для образования N0 [бв,вб]. Основная энергия будет идти на возбуждение колебательных и электронных уровней молекул N2 (см.рис.2.17). Это приведет к интенсивному излучению 1-ой положительной системы в видимом диапазоне и системы Вегарда-Каплана Ng (А 2.и,) в УФ-диапазоне. Как видно из рис.2.17. отклонение интенсивностей 1 пол / і 40ТР может значительно (до порядка величины и больше) превышать величину, полученную для деградационного спектра (см. 1.4). Так в эксперименте [91] в узком слое ( Ah 5 км) на высоте П 120 км (см.рис.1.14) измеренное отношение интенсивностей 1 6765/ I 3914 в 3 раза превысило теоретическое значение, полученно для деградационного спектра. Следовательно, наличие "Т-слоя в продольном электрическом токе может приводить к появлению интенсивного красного свечения на нижнем крае дуги полярного сияния. Такое явление хорошо известно и носит название Гби -дуги [17].
Таким образом, впервые предложен механизм образования дуги с ярким красным нижним краем. Подводя итог второго главе, можно сказать следующее:
1. Используемые в настоящее время в ионосфере скорости охлаждения электронного газа в IMg и U;? являются заниженными, так как не учитывают резонансного возбуждения вращательных уровней.
2. На основе численного решения кинетического уравнения для ионосферных электронов показано, что наблюдаемые пологие (по сравнению с деградационным) спектры электронов не могут быть объяснены ускорением в продольном электрическом поле.
3. Наблюдаемые спектры вторичных электронов Ф(8) о -обусловлены резонансным ускорением электронов плазменной турбулентностью.
