ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2011, том 37, № 8, с. 745-755
ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.951
О НЕКОТОРЫХ ПРОЦЕССАХ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ ЗАРЯДКУ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
© 2011 г. С. И. Копнин*, А. А. Моржакова*, С. И. Попель*, П. К. Шукла**
* Институт динамики геосфер РАН, Москва, Россия ** Рурский университет, Бохум, Германия
Поступила в редакцию 23.08.2010 г. Окончательный вариант получен 24.01.2011 г.
Исследованы эффекты, связанные с нейтральной компонентой запыленной ионосферной плазмы, влияющие на зарядку пылевых частиц. Вычислены микроскопические потоки ионов на пылевую частицу с учетом эффекта взаимодействия ионов с нейтральными компонентами ионосферной плазмы. Вычисления проведены как для случая отрицательных зарядов пылевых частиц, так и для случая положительных зарядов, реализуемого в присутствии достаточно интенсивного ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Кроме того, для последнего случая проведено исследование нагрева электронов при фотоэффекте. Оказывается, что эффективность нагрева электронов зависит от концентрации нейтральной компоненты. Определены области высот ионосферы, на которых указанные эффекты оказывают заметное влияние на зарядку нано- и микромасштабных пылевых частиц различного происхождения. Показано, что рассматриваемые эффекты важны при описании серебристых облаков, полярных мезосферных радиоотражений, а также физических явлений, в которых участвуют частицы метеорного происхождения.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время важным объектом исследований является пылевая плазма, содержащая частицы в диапазоне размеров от десятков нанометров до сотен микрометров [1—8]. Одним из примеров такой среды в природе является плазма запыленной ионосферы [9—12]. Важным источником пылевых частиц в ионосфере являются метеорные потоки (например, Персеиды, Леониды, Геминиды, Ориониды и т.д.), порожденные выбросами из ядер короткопериодических комет. Так, в ходе одного из запусков геофизических ракет в высоких широтах удалось зарегистрировать пылевые частицы в следе метеора шириной порядка 40 м на высоте 93 км. Характерный размер пылевых частиц оказался порядка 50 нм [13, 14]. В ходе последующих запусков на Аляске был зарегистрирован слой отрицательно заряженных пылевых частиц с характерными размерами порядка нескольких нанометров и концентрацией порядка 102см-3 [14, 15]. Авторы [14, 15] полагают, что реальное число частиц возможно в 5— 10 раз превышает регистрируемую концентрацию. Эти запуски сопровождались наблюдениями, выполненными с помощью лидаров (в оптическом диапазоне частот). Данные этих наблюдений указали на хорошую корреляцию между распределением заряженных частиц и распределением атомов металлов.
Наномасштабные частицы в ионосфере образуются также и в процессе конденсации пересыщенных паров воды в области высот 80—95 км в
летний период, когда температура на этих высотах достигает рекордно низких значений (падает до 130 К) [9]. Кроме того, источником пылевых частиц в ионосфере являются активные геофизические эксперименты такие, как "North Star", "Fluxus", "Charged Aerosol Release Experiment" и т.д. (см., например, [16, 17]).
Пылевые частицы, находясь в плазме, заряжаются. Обычно благодаря большей подвижности электронов по сравнению с ионами заряд пылевых частиц оказывается отрицательным. Однако в дневное время ультрафиолетовое (и рентгеновское) солнечное излучение вызывает фотоэффект на частицах, в результате чего заряды частиц могут стать положительными [18, 19]. Заряженные пылевые частицы оказывают существенное и часто определяющее влияние на физико-химические процессы, протекающие в ионосферной плазме (см., например, [10, 19]). Таким образом, вопросы, связанные с процессами зарядки нано- и микромасштабных пылевых частиц в ионосферной плазме, представляют огромный интерес.
Настоящая работа посвящена выявлению роли нейтралов в процессе зарядки пылевых частиц в ионосфере. Рассматриваются случаи как положительных, так и отрицательных зарядов пылевых частиц. При этом особое внимание уделяется исследованию влияния фотоэффекта. Отметим, что ранее детальная теория зарядки пылевых частиц в результате действия фотоэффекта была развита в [20] для случая вакуума. В настоящей работе фотоэффект описывается для условий
ионосферной плазмы на различных высотах. Структура работы следующая. В разд. 2 определяются микроскопические потоки на пылевую частицу с учетом характера взаимодействия ионов с нейтралами. В разд. 3 проведена оценка потоков солнечного излучения на различных высотах. В разд. 4 исследовано влияние нейтральной компоненты плазмы на нагрев электронов в запыленной ионосфере в присутствии солнечного излучения на различных высотах. В разд. 5 приведены характерные диапазоны высот и параметров пылевых частиц, для которых указанные выше эффекты играют существенную роль, а также перечислены природные явления, при описании которых учет нейтральной компоненты при рассмотрении зарядки пылевых частиц оказывается важным. В разд. 6 сформулированы основные выводы работы.
2. ХАРАКТЕР ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНОВ С НЕЙТРАЛАМИ И МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ПОТОКИ ЭЛЕКТРОНОВ И ИОНОВ НА ПЫЛЕВУЮ ЧАСТИЦУ
Для выявления роли взаимодействия ионов с нейтральной компонентой ионосферной плазмы в процессе зарядки пылевых частиц используется подход в рамках дрейфово-диффузионного приближения, ранее используемый в теории зондов, а также применительно к теории пылевой плазмы [20, 21]. Однако в более ранних работах [см., например, 22] вычисления проводились для случая, когда электромагнитное излучение отсутствует, т.е. для случая, когда заряд пылевых частиц отрицателен. В настоящей же работе вычисления проводятся для случая как отрицательного, так и положительного заряда пылевых частиц. Использование дрейфово-диффузионного приближения для случая положительных зарядов пылевых частиц ранее не осуществлялось.
Построение дрейфово-диффузионной модели, описывающей взаимодействие ионов с нейтральной компонентой ионосферной плазмы в процессе зарядки пылевых частиц, проводится по аналогии с построением модели [22], предназначенной для описания лабораторной плазмы в случае отрицательно заряженных пылевых частиц. Полученные в рамках дрейфово-диффузионной модели выражения, определяющие потоки ионов и электронов в ионосферной плазме на пылевые частицы, будут сравниться с аналогичными потоками, полученными в предположении отсутствия ион-нейтрального взаимодействия.
Прежде всего, следует иметь ввиду, что ионный состав в ионосферной плазме на рассматриваемых в настоящей работе высотах (выше 80 км) весьма разнообразен. Здесь присутствуют как простые, так и составные ионы. К простым относятся ионы, состоящие из одного атома или молекулы. Простые ионы представлены глав-
ным образом ионами N0+, 0+, N22 [23], а также долгоживущими ионами металлов метеорного происхождения. Кроме того, существуют составные, так называемые кластерные ионы-связки
Н+ (Н20)п, N0+ (Н20)п, N0+ (С02)п, которые существуют, главным образом, на высотах 60—85 км. Помимо этого, кластерные ионы-связки обладают существенно более значительными массами, чем обычные ионы. Это делает их практически неподвижными по сравнению с простыми ионами. Поэтому их роль в процессах зарядки пылевых частиц оказывается незначительной. При проведении расчетов для упрощения описания рассматриваются ионы с характерной массой 30 а.е.м., приблизительно равной массе ионов N0+, 0+,
Рекомбинация электронов и ионов в плазме происходит в результате как парных столкновений этих частиц, так и на поверхности пылевых частиц в результате поглощения. Рекомбинация характеризуется величинами Ье и Ц, представляющими собой число электронов и ионов, покидающих плазму в результате процессов рекомбинации в единицу времени и в единице объема
Ц =аНеЩ + VеПе , (1)
Ц = а пещ + V ¡щ, (2)
где пе^ — концентрация электронов (ионов),
а ~ 10-12 см3/с — коэффициент рекомбинации электронов и ионов для характерных параметров
ионосферы Земли [24], V е, V 1 — частоты столкновений соответственно электронов и ионов с пылевыми частицам. Эти частоты связаны соотношением V е = (1 + р) VI, где р = - qdnd|e пе — параметр Хавнеса, nd — концентрация пылевых частиц, qd = 2йе — заряд пылевой частицы, 2й — заряд пылевой частицы, выраженный в абсолютных величинах заряда электрона, -е — заряд электрона. Поскольку из-за квазинейтральности плазмы (ndZd + щ = пе) множитель 1 + р остается неотрицательной величиной как для положительно, так и для отрицательно заряженных пылевых частиц.
Как правило, для нормальных условий ионосферы р ~1, Vе ~ 0.01—01 с-1, концентрации электронов и ионов варьируются в пределах пе ~ п1 ~ ~ 102-105 см-3 [10]. Следовательно, для характерных параметров запыленной ионосферы на интересующих нас высотах определяющим механизмом потерь электронов и ионов является процесс поглощения электронов и ионов пылевыми частицами
Ье -VеПе , (3)
Ц «УЩ. (4)
Уравнения непрерывности для компонент ионосферной плазмы могут быть записаны в виде
^ + V • (пеуе) = Se - Ье,
дщ
+ У- (щт, ) = $ - Ц,
д+ V • п V , ) = 0, от
(5)
(6) (7)
Из (12) следует, что
дпе(1)
дг
■V- ( е(0 )= 0,
(10)
йпе(1) _ еПе(р йф _
1е(1)
(
е((){г) = ехр
еф (г)
Т
(О У
Пе() (г0 )еХР
_еф (го) +—^^
Те(0
+
+ -
е(0
где V — гидродинамическая скорость электронов (ионов, пылевых частиц), Se, 8 — число электронов и ионов, производимых в ионосферной плазме в результате процессов ионизации в единицу времени в единице объема. Основными источниками ионизации нейтральной компоненты ионосферной плазмы являются фотоионизация ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца [25], вторичная ионизация [26], Оже-эф-фект, ионизация рассеянным излучением, ионизация протонами, ионизация солнечными космическими и галактическими лучами.
В условиях динамического равновесия можно с некоторой точностью считать, что Це ~ 8е, Ц « Поскольку зависимость процессов ионизации от малых возмущений ионосферной плазмы несущественна, можно считать Бе и 81 постоянными, определяемыми невозмущенными параметрами плазмы
8 = V еПе0, (8)
8 = УД-0. (9)
Таким образом, уравнение непрерывности для э
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.