Письма в ЖЭТФ, том 96, вып. 1, с. 22-28
© 2012 г. 10 июля
Формирование и эволюция плазменно-пылевых структур в
ионосфере
А. Ю. Дубинский, С. И. Попель
Институт динамики геосфер РАН, 119334 Москва, Россия Поступила в редакцию 23 апреля 2012 г.
Представлена самосогласованная модель формирования и эволюции плазменно-пылевых структур в ионосфере. Показано влияние начальных распределений пылевых частиц, а также процессов конденсации и поглощения молекул воды пылевыми частицами на образование серебристых облаков и полярных мезосферных радиоотражений. Проиллюстрирована возможность образования слоистой структуры серебристых облаков.
Важной особенностью летней полярной ионосферы является наличие очень тонких (по сравнению со шкалой высот атмосферы) пылевых слоев, расположенных на высотах 80-85 км (серебристые облака или NLC, noctilucent clouds) и около 90 км (полярные мезосферные радиоотражения или PMSE, Polar Mesosphere Summer Echoes). Серебристые облака состоят из субмикронных частиц водного льда (с возможными включениями примесей) [1]. Их вертикальная оптическая толщина значительно меньше единицы, но на закате их можно наблюдать невооруженным глазом. Полярные же мезосферные радиоотражения, которые, по-видимому, состоят из заряженных наномасштабных частиц, оптическими методами не наблюдаются, а проявляются как сильные радиоотражения на радарах, работающих на частотах порядка 50^1000 МГц [2]. Сильная корреляция в наблюдениях серебристых облаков и полярных мезосферных радиоотражений дает основания считать, что эти образования имеют одинаковое происхождение, связанное с формированием наномасштабных и субмикронных частиц в ионосфере. В литературе NLC и PMSE часто объединяют, называя их полярными мезосферными облаками или PMC (Polar Mesospheric Clouds) [3].
Интерес к описанию пылевых структур в ионосфере резко возрос в 2000-е годы. Это было связано, во-первых, с разработкой к тому времени методов исследования пылевой (комплексной) плазмы, в том числе и в природных системах [4-7]. Во-вторых, существенный интерес к указанным структурам обусловлен их возможной связью с климатическими изменениями на Земле и в частности с процессами глобального потепления.
^e-mail: s_i_popeiemtu-net.ru
Применение плазменно-пылевых методов к описанию NLC и PMSE [8-10] позволило получить ряд важных результатов, касающихся прежде всего применимости указанных методов для описания NLC и PMSE, а также ионизационных свойств запыленной ионосферы. Однако существенные вопросы, касающиеся формирования и эволюции NLC и PMSE, до сих пор остаются открытыми. Так, например, до сих пор неясно, почему существуют именно два типа пылевых структур, NLC и PMSE, отличающиеся друг от друга как размерами составляющих их частиц, так и местом расположения в ионосфере. Кроме того, не описаны механизмы возникновения слоистой структуры пылевых образований в ионосфере, а также резких границ указанных образований.
Весьма активные современные исследования мелкодисперсных частиц в ионосфере и образуемых ими структур [11-13] указывают на необходимость и своевременность дальнейшего развития методов их описания. Существенным результатом последних лет стало непосредственное наблюдение мелкодисперсных (smoke) частиц с размерами порядка 1 нм в ионосфере [11], которые могут служить центрами конденсации в ионосфере Земли. В работах [810] роль конденсации при формировании и эволюции NLC и PMSE детально не изучалась. В настоящей работе предлагается самосогласованная модель для описания NLC и PMSE, в которой в дополнение к процессам, учтенным в [8-10], добавлено описание процессов конденсации. Новым является также и учет влияния зарядов частиц на процессы конденсации. В расчетах для описания частиц конденсата используются наблюдаемые профили наномасштабных частиц в ионосфере [11].
Частицы с характерным размером, равным нескольким нанометрам, попадают в ионосферу в результате бомбардировки Земли микрометеоритами
с их последующим сгоранием на высотах 80-120 км и конденсацией метеорного вещества [14]. Концентрация таких частиц варьируется в пределах 10^1000 см-3 в зависимости от сезона и микрометеоритной активности. В обычных условиях такие частицы практически не оказывают влияния на состояние ионосферной плазмы. Ситуация кардинально меняется в летней полярной мезосфере на высотах около 80-90 км, когда температура окружающего воздуха опускается ниже 150 К и пары воды, которые присутствуют на этих высотах, становятся пересыщенными (см., например, [3]). В этих условиях происходит рост пылевых частиц и, начиная с определенного размера (и момента времени), выросшие частицы определяют ионизационные свойства ионосферы в месте своей локализации [9]. Эволюция частиц происходит в окружающей ионосферной плазме. В результате взаимодействия с плазмой частицы приобретают электрические заряды, которые сказываются на процессе их роста.
Рисунок 1 иллюстрирует условия в летней полярной мезосфере, важные с точки зрения физики РМС. На нем приведены высотные профили температуры нейтрального газа, давления насыщенных водяных паров и давления паров воды. Условия для роста (нуклеации) частиц выполняются в диапазоне высот около 77-94 км, где пары воды пересыщены. Именно в этом высотном диапазоне и наблюдаются серебристые облака и полярные мезосферные радиоотражения. Жирные кривые на рис. 1 характеризуют, в соответствии с данными [12], временную эволюцию высот, на которых наблюдаются серебристые облака. Видно, что имеет место седиментация частиц, составляющих серебристые облака.
При построении модели плазменно-пылевых структур в ионосфере Земли описание эволюции функции распределения пылевых частиц fd(h,a,v,t) на высоте h проводится с помощью кинетического уравнения
t (h)
dfi dt
awmwV^iriv
9
ipd irpcsa2Fd(v
„)dfd , rdfd 8h
da
'-'wind )
md
dh dv
= 0.
(1)
Здесь а - характерный линейный размер пылевой частицы, т<г - ее масса, - масса молекулы воды, «щ, - коэффициент аккомодации молекул воды при столкновении с пылевой частицей (обычно в пе-
ресыщенном водяном паре аи
1),
V.
,th
тепловая
скорость молекул воды, с8 - местная скорость звука, р и ра - плотности воздуха и материала пылевой
, - концентрации на-
Г (К)
10н
Р (mbar)
Рис. 1. Качественные высотные профили температуры воздуха (сплошная кривая), парциального давления паров воды (штриховая кривая) и давления насыщенных паров воды (штрихпунктирная кривая). Пары воды пересыщены в диапазоне высот 77-94 км. Жирные кривые характеризуют (в соответствии с данными [12]) временную эволюцию высот, на которых наблюдаются серебристые облака
сыщенных водяных паров над поверхностью пылевой частицы и паров воды в мезосфере соответственно, "wind и г» - вертикальные скорости ветра и частицы соответственно, F¿ - коэффициент порядка единицы, отражающий влияние формы частицы, д - ускорение свободного падения. Второе слагаемое в левой части (1) описывает рост пылевых частиц в окружающем пересыщенном водяном паре, четвертый член описывает седиментацию (подъем) пылевой частицы при взаимодействии с нейтралами (neutral drag).
Вычисление концентрации насыщенных водяных паров nsw над поверхностью частицы проводится стандартным образом [15]. Для этой цели вводится термодинамический потенциал Ф системы, состоящей из пылевой частицы, на поверхности которой происходит конденсация полярных молекул (воды), и прилегающего к частице слоя газа указанных молекул. Поскольку пылевые частицы заряжены и, кроме того, наряду с нейтральными молекулами окружены ионами и электронами, экранирующими поле пылевой частицы, необходимо учитывать электростатическое взаимодействие. Таким образом, производится учет зависимости nsw от размера а и заряда q¿ пылевых частиц. Последний также является функцией
N
п
размера а частицы. Термодинамический потенциал системы Ф имеет вид
Ф = md(fd + Pvd) + ma(fa + Pvg) + aS
Ф
E
m§ NAMD4dL
fig a2 V Та2 /'
(2)
где P - давление, fd{vd,T) - удельная свободная энергия пылевой частицы, fg(vg,T) - удельная свободная энергия газа, гца) - удельный объем пылевой частицы (газа), Т - температура, т9 - масса газа, цд -молярная масса газа, Na - число Авогадро, а - коэффициент поверхностного натяжения вещества частицы, S - площадь поверхности пылевой частицы, цо -дипольный момент молекулы воды, L(x) - функция Ланжевена (ср. с [16]). Что касается электростатической энергии Фе, то она складывается из энергии электрического поля в пределах пылевой частицы (индекс "in") и в остальном пространстве (индекс "out"):
= [ £-v~dV + [ irdV- (з)
J in OTT Jont о7Г
Здесь е - диэлектрическая проницаемость вещества пылевой частицы, Е - электрическое поле, V - объем.
Вычисление, основанное на анализе экстремумов выражения (2) в предположениях сферической симметрии пылевой частицы, постоянства е и экранировки электрического поля пылевой частицы в соответствии с экранирующим потенциалом Юкавы, характеризуемым длиной экранировки А, позволяет получить следующее трансцендентное уравнение, связывающее значение давления Р$ насыщенных паров воды над частицей размера а, обладающей поверхностным зарядом qd, и значение давления Pq насыщенных паров воды над плоской поверхностью:
, 1 NaT
Vd
{Ps
1 ps
x in —
Po
VDQdj (VDqd\ a2 V Та2 ) 2 crvd q2dVd a 8?ra4
т>
1
- - 1£
Ms v(\, a)
= 0, (4)
где
v(\, a) =
f
J a
a2 (A + r)2 2a exp[2(a - г)/А]
dr. (5)
т2 А(А + а)3
Концентрация п^ определяется из Р$ с помощью хорошо известного соотношения для идеального газа:
К = Ps/T.
Динамика водяных паров описывается следующим уравнением для их концентрации Пу, [10]:
дп,„ дГ,,
dt
dh
— ^р - -t 111
irCtmV^n
(a2nd)
где Гщ, - вертикальный диффузионный поток водяных паров [17], Ру,, Ьу, - фотохимические источники и стоки водяных паров в мезосфере. Последнее слагаемое в правой части (6) описывает поглощение молекул воды пылевыми частицами.
Кинетические уравнения (1), (6) выписаны в рамках одномерного приближения (пространственная координата - высота частицы К). Оправданность такого приближения связана с тем, что вертикальный размер полярных мезосферных облаков 1 км) зна
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.