ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 1, с. 101-105
УДК 550.388.3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ МОЛЕКУЛ O+ И ОЦЕНКА ПОТОКА ПРОНИКАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ, ВЫЗЫВАЮЩИХ ОБРАЗОВАНИЕ ОБЛАКА ИЗБЫТОЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ O+ НА ВЫСОТАХ
ИОНОСФЕРЫ ВЫШЕ 220 км © 2014 г. В. М. Игнатьев
Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН, г. Якутск
e-mail: nikolashkin@ikfia.ysn.ru Поступила в редакцию 01.09.2011 г.
После доработки 05.09.2013 г.
Рассмотрен случай появления аномальных (нетепловых) контуров зеленой эмиссии кислородных атомов, зарегистрированных с помощью спектрометра Фабри—Перо в полярных сияниях, у которых обнаруживается эффект быстрого уменьшения интенсивности в крыльях их диссоциативного компонента. На основании анализа этих измеренных контуров найдено, что характерное время рекомбинации молекулярного иона кислорода 0+ на высотах 200—400 км составляет ~5—7 с. По-видимому, эти молекулярные ионы возникают в ограниченной по горизонтали области авроральной ионосферы в результате ионизации локализованным в пространстве потоком мягких электронов с энергией 0.02—0.4 кэВ, проникающим до высот 200 км. Оценка потока этих электронов дает значение 1010—1013 электрон см 2 с 1. Они создают избыточную концентрацию и(0+)~5.6х 10 см 3. DOI: 10.7868/S0016794014010039
1. ВВЕДЕНИЕ
Регистрация профилей эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм проводилась при помощи быстродействующего сканирующего интерферометра Фабри—Перо [Игнатьев и Югов, 1995]. Время сканирования контуров эмиссии 557.7 нм и 630 нм составляло несколько минут. Понятно, что форма регистрируемых аномальных профилей эмиссий при наблюдениях в периоды полярных сияний, формируется за счет диссоциатив-но-рекомбинационных процессов, обусловленных концентрацией ионов 0+, характерной для невозмущенной атмосферы, так и спорадически возникающей дополнительной концентрацией
ионов 0+, возникающей в периоды возмущений (полярных сияний). Как показали наблюдения, продолжительность появления таких аномальных контуров составляет одну—две минуты, что свидетельствует об импульсном характере процесса образования избыточной концентрации ионов 0+. Такие контуры регистрируются достаточно редко. Возможно, это связано с тем, что образование избыточной концентрации ионов О + происходит в ограниченной области авроральной ионосферы. Поскольку подобные аномальные контуры кислородных эмиссий регистрировались только в ночное время, то можно предположить, что обра-
зование избыточной концентрации ионов О+ обусловливается спорадически возникающими большими потоками авроральных частиц.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ХАРАКТЕРНОГО ВРЕМЕНИ
РЕКОМБИНАЦИИ ИОНОВ О+
Необходимые сведения о природе возникновения аномальности в профиле эмиссии 557.7 нм, возникающей за счет диссоциативной рекомбинации с участием дополнительных ионов 0+, можно извлечь из анализа формы некоторых контуров, у которых наблюдается эффект быстрого уменьшения интенсивности в нисходящем крыле регистрируемого профиля по сравнению с восходящим крылом по ходу сканирования профиля излучения [Игнатьев и Югов, 1995]. Хотя вероятность обнаружения такого события невелика, все же удалось зарегистрировать два таких контура эмиссии 557.7 нм во время наблюдений при помощи сканирующего интерферометра Фабри— Перо в бухте Тикси 15.02.1974 и 15.03.1974 г. (рисунки 1 и 2).
Интенсивность аномальных контуров эмиссии 557.7 нм связана со скоростью образования
рекомбинирующих молекулярных ионов 0+. Поэтому можно предположить, что наблюдавшиеся
15.02.1974 г.
0 -
23:09 23:10 23:11 23:12 23:13 ГГ
Рис. 1. Регистрограмма диссоциативно-рекомбина-ционного контура эмиссии 557.7 нм атомарного кислорода, у которых обнаруживается эффект быстрого уменьшения интенсивности правой части (после сканирования максимума) крыла контура, обусловленного диссоциативным компонентом, для 15.02.1974 г.
1.0
В
о £
о о я <ч S о Я о н я
И
0.5
15.03.1975 г.
л/W-
4:11
4:12
4:13
LT
Рис. 2. То же, что на рис. 1, для 15.03.1975 г.
0
быстрые уменьшения интенсивности в правых (нисходящие крылья) половинах контуров линии должны быть обусловлены внезапным прекращением действия источника образования ионов O + и, следовательно, уменьшением их избыточной концентрации за счет рекомбинации с электронами окружающей среды ионосферы за время, необходимое, чтобы зарегистрировать профиль линии.
По зарегистрированным двум аномальным контурам была сделана попытка оценить характерное время рекомбинации молекулярного иона
O+, предельную величину спорадического потока авроральных электронов в ограниченной области их появления. Было показано [Игнатьев и др., 1975; Hernandez, 1971], что аномальные контуры линии 557.7 нм образуются в процессе диссоциативной рекомбинации ионов O + и, следовательно, их интенсивность должна служить мерой потока ионизирующих авроральных электронов. Если в элементарном объеме атмосферы выше 200 км (высота атмосферы, выше которой возникают диссоциативные контуры эмиссии 557.7 нм) происходит образование облака избыточной концентрации ионов O + под воздействием проникающего спорадического и пространственно — локального потока электронов с энергией 0.02—0.4 кэВ, и убыль этих ионов за счет потери в процессе диссоциативной рекомбинации, то скорость изменения избыточной концентрации молекул O + (без учета переноса заряженных частиц) можно представить в следующем виде:
где а 1 — эффективное сечение (см2) ионизации молекулярного кислорода спорадическим потоком электронов ¥е со средней энергией (высота области максимальной ионизации зависит от величины энергии потока ¥е проникающих электронов); ¥е — спорадический поток ионизирующих
электронов, эл см-2 с-1; п(02), п(0+) и пе — концентрации нейтральных и ионизованных молекул кислорода и электронов, соответственно, см-3; а(*£) — коэффициент рекомбинации 0+.
Выше отмечалось, что регистрация правых (в соответствии с направлением сканирования на рис. 1) половин контуров линии 557.7 нм, приведенных на рисуниках 1 и 2, производилась после внезапного прекращения действия ионизирующего потока ¥е.
Поэтому с момента, когда Ге ~ 0, скорость уменьшения избыточной концентрации ионов О + до уровня фонового значения представится в виде
^ = П.
dt
Отсюда
n(O+) = n(O+)exp[-a(16)ne
(2)
(3)
dn(O) = aiFen(O2) - a(^)n(O+)ne, dt
(1)
где п;-(02) — избыточная концентрация молекулярного иона кислорода в момент внезапного прекращения действия источника ионизации.
Очевидно, объемная интенсивность эмиссии 557.7 нм после прекращения ионизации изменится согласно соотношению
1(557.7) = Sa(1S)ni(0+2)exp[-a(1S)ne],
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ МОЛЕКУЛ O+ И ОЦЕНКА ПОТОКА
103
ln I
Рис.3. Зависимость логарифма интенсивности 1пI правой части контура эмиссии 557.7 нм от времени в процессе уменьшения в течение сканирования. Местное время 23:12 15.02.1974 г.
Рис. 4. То же, что на рис. 2, для 04:12 15.03.1975 г.
где S = A21(A21 + п) 1, интенсивность I (фотон
см
с-1).
Введем обозначения: 11 = ^а(1 ^)пеп1(0 2) — объемная интенсивность аномального контура линии 557.7 нм в момент прекращения действия источника ионизации в момент сканирования максимума контура эмиссии; т = [а(1^)пе]-1 — характерное время рекомбинации, в течение которого избыточная концентрация ионов 0 + (или интенсивность аномального контура) уменьшается в е раз, и п — частота упругих и обменных столкновений.
После введения новых обозначений формула (3) примет следующий вид
I (557.7) = I1 exp(—/ т).
(4)
Полученная зависимость позволила оценить т. Такому анализу подвергались контуры линии 557.7 нм, приведенные на рисунках 1 и 2, с целью контроля экспоненциального характера уменьшения интенсивности в правой половине контуров линии 557.7 нм по отношению к интенсивности левой части профиля. Этим также подтверждается предположение о внезапном прекращении дополнительного ионообразования в ограниченной области авроральной ионосферы. Полученное характерное время рекомбинации молекул 0+ составило т = 2.3—7 с (рисунки 3 и 4).
В связи с этим можно отметить, что в работе [Далгарно, 1986] было указано, что время рекомбинации для иона N0+ составляет 10 с. Это значение времени рекомбинации согласуется с резуль-
татами анализа, полученными в ночное время, и по порядку величины близко к т = 2.3 — 7 с.
3. ОЦЕНКА ПОТОКА АВРОРАЛЬНЫХ
ЭЛЕКТРОНОВ, СОЗДАЮЩИХ ОБЛАКО ИЗБЫТОЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ O+
Зарегистрированные аномальные профили эмиссии 557.7 нм позволяют также сделать оценку концентрации электронов в момент дополнительного ионообразования. При таком расчете основная трудность заключается в том, что не известно точное значение коэффициента рекомбинации a(1S) ионов 0+, приводящей к возбуждению атомов кислорода в состоянии 1S.
Для оценки электронной концентрации можно использовать значение a(1S), полученное из одновременных измерений объемной интенсивности эмиссии 557.7 нм, ионного и нейтрального состава атмосферы, выполненных на ИСЗ Экс-плорер С [Frederick et al., 1976]. Согласно этой работе коэффициент рекомбинации ионов 0+, приводящий к образованию атомарного кислорода в
1 о
состоянии S, определяется соотношением
a(1S) = 6.6 х 10-
/ Л 0.7
1150л T
\ 1 e У
(5)
По мнению авторов работы [Frederick et al., 1976] значение a(:S) изменяется от электронной
температуры как T^'1 для Те < 1200 К и как Teu'5 для
0.5
Те > 1200 К. Вычисленное значение а(!^) лежит между 4.0 х 10-9 см3 с-1 и 8.2 х 10-9 см3 с-1 при Те = = 1150 К и соответствует условиям рекомбинации
ионов 0 + выше 150 км. С другой стороны, наши расчеты показывают, что для полной термализа-
ции быстрых атомов 0(), образующихся в процессе 0+(Х2П2) + е ^ 0(15) + 0(!П) + 0.83 эВ достаточно 2-3 соударений за единицу времени, т.е. частота соударений должна быть не менее 3-4 с-1 [Игнатьев и Югов, 1995]. Согласно расчетам такие частоты соударений наблюдаются ниже 220 км. Поэтому можно заключить, что быстрые
атомы кислорода 0(!£) выше 220 км не успевают прийти в термическое равновесие с окружающей
средой. При этом атомы 0(! П) свою избыточную кинетическую энергию должны сохранять на гораздо больших высотах (г > 30
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.