КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 6, с. 519-528
УДК 551.510
СВЕЧЕНИЕ В ВИДИМОМ И ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНАХ СПЕКТРА ВОЗМУЩЕННОЙ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ В УСЛОВИЯХ
ИНЖЕКЦИИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ. II. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ СВЕЧЕНИЯ В ВИДИМОМ
ДИАПАЗОНЕ СПЕКТРА
© 2008 г. С. И. Козлов, Н. В. Смирнова, Т. В. Лосева, А. Н. Ляхов, И. Б. Косарев
Институт динамики геосфер РАН, г. Москва Поступила в редакцию 29.11.2006 г.
Дается теоретическая интерпретация экспериментальных данных по свечению в видимом диапазоне спектра возмущенной верхней атмосферы в условиях инжекции высокоскоростной алюминиевой плазменной струи (эксперименты "Флаксус"). Приводятся математические модели оптических эффектов. Показано, что результаты расчетов и данные экспериментов удовлетворительно согласуются между собой. Определяются основные физико-химические процессы, ответственные за наблюдаемое свечение.
РАС8: 94.05.Dd; 94.05.Rx; 94.20.Tt
ВВЕДЕНИЕ
В [1-3] подробно описываются экспериментальные данные по свечению в видимом диапазоне спектра возмущенной области атмосферы, возникшей при проведении экспериментов "Флаксус" (в ночных условиях на высоте Н ~ 140 км инжектировалась алюминиевая плазменная струя со средней скоростью УА1 ~ 20 км/с, чрезвычайно высокой по сравнению с ранее проведенными активными воздействиями подобного типа [4]). Обобщенный анализ [3] указанных данных позволил выделить пространственно-временные особенности свечения, приближенно определить природу излучений и с помощью достаточно простых, но физически хорошо обоснованных критериев показать непротиворечивость различных экспериментальных данных друг другу. Цель настоящей статьи - теоретическое исследование физико-химических механизмов, ответственных за свечение на временах £ > 0.1-1 с после инжекции плазмы. Достижение поставленной цели потребовало разработки соответствующих математических моделей и сопоставления результатов расчетов с данными измерений. Начальная стадия развития светящейся области (£ < 0.1 с), исследованная в [5], здесь не рассматривается.
1. СВЕЧЕНИЕ ВОЗБУЖДЕННОГО ГИДРАТИРОВАННОГО АЛЮМИНИЯ
Активные эксперименты с инжекцией в верхнюю атмосферу А1-содержащих смесей проводились неоднократно, начиная с 60-ых годов XX ве-
ка [4, 6-8]. Несмотря на то, что они принадлежали к разным типам воздействий на околоземную среду [4] - инжекции химически активных веществ, в частности, триметилалюминия, взрывам химических ВВ с гранулами А1 или алюминиевой фольгой, во всех случаях в ночных условиях наблюдалось свечение возникшего возмущения в течение длительного времени. Аналогичный эффект зарегистрирован и в экспериментах "Флаксус" [3], относящихся к такому виду воздействия, как ин-жекция плазмы. В [9, 10] впервые была высказана идея, что ответственным за это свечение может быть возбужденный гидратированный алюминий НА10Н*, образующийся по реакции
А1 + Н20 —► НА10Н*, к (1)
с последующим переходом в основное состояние
НА10Н* — НА10Н + тНА10Н*, (2)
где к1 - константа скорости реакции, тНА10Н* - радиационное время жизни. Идея не получила подтверждения и дальнейшего развития прежде всего из-за "нехватки" Н20 в естественной атмосфере на Н > 90-100 км. В экспериментах "Флаксус" ситуация принципиально другая. Вода - один из компонентов продуктов взрыва (ПВ) тротилово-го заряда, и при взрыве ~4.9 кг тротила образуется ~2 ■ 1025 молекул воды [3]. Поэтому попытка интерпретации свечения на большие времена, основываясь на (1) и (2), представляет несомненный интерес.
Значения кь тНА10Н*, к сожалению, до сих пор не определены. О процессах (1), (2) известно
I, Вт/ср
100
10
к1 = 10-11см3/с
4 х 10-12
10-
I, Вт/ср
100
• 1
а 2
10
'-ШЛЮШ* = 50 с
80 100
200
0.1
10
100 г, с
0.1
10
100 г, с
1
1
1
Рис. 1. Изменение во времени интенсивности свечения возмущенной области.
1 - данные измерений американского спутника МБХ,
2 - данные телевизионных измерений. Экспериментальные данные "Флаксус-1" взяты из [3].
Рис. 2. Изменение во времени интенсивности свечения возмущенной области при разных значениях Тнаюн*. а = 0.8, в = 0, к1 = 10-11 см3 • с-1; 1, 2 - экспериментальные данные те же, что и на рис. 1.
только, что реакция (1) является сильно экзотермической (~3.4 эВ) и должна быть достаточно быстрой, а молекула НА10Н* дает континуум свечения в диапазоне длин волн X - 355-750 нм. Такое положение делает необходимым отнести к1, тнаюн* к варьируемым параметрам.
Весьма сложным представляется учет динамики развития возмущенной области, так как компоненты, участвующие в (1), принадлежат к расширяющимся ПВ и алюминиевой струе. Более или менее удовлетворительного решения этой задачи не существует. Поэтому, отчасти вынужденно, здесь принимается допущение о сферичности возникшей светящейся области, что для разлета ПВ вполне оправдано, а для направленной инжек-ции струи вызывает определенное сомнение. Можно, однако, быть уверенным, что с некоторых моментов г > 1-5 с, которым и уделяется основное внимание, в результате торможения воздухом, "бокового" расширения и других динамических процессов компоненты струи также постепенно распределятся по сфере. Радиус г светящейся области берется из экспериментальных данных, представленных на рис. 2 в [3]. Он хорошо аппроксимируется выражением
г = А ^ (г) + В, йг/йг = 0.4343АГ
(3)
ными средствами диагностики (более подробно см. [3]).
Многочисленные лабораторные эксперименты показывают, что начальная скорость разлета продуктов тротилового взрыва УПВ - 1.5-5 км/с, что существенно меньше УА1. Таким образом, принятое выше допущение о геометрии возмущенной области отнюдь не снимает проблемы -на каких расстояниях г и когда ПВ "догонят" алюминиевую струю. Наиболее сильное взаимодй-ствие с атмосферой происходит на начальной стадии разлета (распространения) струи и ПВ. Считается [11], что эта стадия заканчивается, когда масса вовлеченного в движение (охваченного возмущением) воздуха становится сравнимой с массами инжектированных веществ (известный эффект "снежного плуга"). Для ПВ (~4.9 кг, УПВ - 1.5-5 км/с, сферическое приближение) на Н - 140 км соответствующие г и г оказываются равными
гПВ - 0.713 км, гПВ - 0.14-0.48 с. (4)
Аналогичные оценки для струи (~22 г, УА1 - 20 км/с, разлет в конус с раствором ~ 40° [1]) дают
= 0.365 км, гА1 - 0.018 с. (5)
'а1 •
а1 < гпв, га1 ^ гпв, т.е.
где А - 0.185, В - 0.86, так как свечение на большие времена регистрировалось только назем-
Как и следовало ожидать, г торможение струи атмосферой осуществляется значительно раньше. Если, например, при г - гПВ скорость струи упадет, по крайней мере, до значений УПВ или меньше их, то, очевидно, продукты
взрыва догнали струю и дальнейшее их распространение происходит совместно. Газодинамические расчеты1 разлета струи на высоте инжекции полностью подтверждают данный вывод: при г - 0.02 с, г - 0.38 км, что неплохо согласуется с простой оценкой (5); при г - 0.2 с, г - 0.8 км, УА1 -- 3-4 км/с. Еще большую убежденность в правоте сделанного заключения о совместном расширении ПВ и струи, начиная с г - 0.2 с, дает удовлетворительное согласие оценки (4) и расчетов с первой экспериментальной точкой по радиусу светящейся области (г - 0.78 км), полученной приборами американского спутника МБХ при г = = 0.2 с (рис. 2в [3]).
С учетом высказанных соображений, а также в предположении, что рассматриваемые компоненты ПВ и струи распределены в возмущенной области равномерно и отсутствуют помимо (1), (2) другие химические реакции, система дифференциальных уравнений, описывающая поведение во времени концентраций [А1], [Н20], [НА10Н*], [НА10Н], имеет вид
У([ Н20 ] + [ НА10Н*] + [ НА10Н]) =
й[А1]/йг = -[А1](кх[Н20] + йУ/Уйг), й[Н20]/йг = -[Н20](^Х[А1] + йУ/Уйг), й[НА10Н*]/йг = к1 [А1][Н20] - [НА10Н*] х х(%аюн* + йУ/Уйг), й[НА10Н]/йг = [НА10Н*] х
(6) (7)
(8)
хт
на10н
- [НА10Н]йУ/Уйг,
(9)
где член йУ/Уйг учитывает уменьшение концентраций в результате увеличения объема У светящейся области.
Экспериментальные данные прямых измерений интенсивности излучения I (рис. 1 в [3]) относятся ко всему объему излучающей области. Для расчета I от молекул НА10Н*, пренебрегая, как и в [3], поглощением и рассеянием квантов земной атмосферой, к (6)-(9) добавляется уравнение
-1.
й1/йг = е(4гстНАЮН*) х
(10)
х (Уй[НА10Н*]/йг + [НА10Н*]йУ/йг).
Здесь £ - энергия излучаемых квантов, которая для X - 355-750 нм находится в диапазоне 1.653.49 эВ. Мы принимаем здесь £ = 3.1 эВ.
По аналогии, с целью контроля точности решения к системе (6)-(10) целесообразно также присоединить уравнения баланса частиц
У([А1] + [НА10Н*] + [НА10Н]) = аЛА1, (11)
1 Немчинов И.В., Косарев И.Б., Шувалов ВВ. и др. Эволю-
ция разлетающейся струи взрывного генератора и ее излу-
чение. Отчет ИДГ РАН, 1997.
= 2 • 1025 = Л(Н20),
(12)
где ЛА1 - 4.84 • 1023 ионов, атомов, молекул [3] -общее количество инжектированных алюминиевых компонент, а - доля атомов А1.
В сферическом приближении
У = 4пг3/3, йУ/Уйг = 3йг/йгг, (13)
и после подстановки (3) в (13) имеем
У = 4п( А ^ г + В) 3/3, йУ/Уйг = 1.3[ г (А ^ г + В )]-
(14)
Заметим, что при г = 0.2 с (момент времени, когда ПВ "догнали" струю) расчет по (3) дает г = 0.73 км, что не противоречит (4), более корректным оценкам и экспериментальным данным [3].
Выбор начальных условий для интегрирования системы уравнений (6)-(10) был привязан к г0 = 0.2 с, г0 = 0.73 км. Эти условия записываются следующим образом
[А1]0 = 3(1 - Р)ОЛа1/4ГС г3, [Н20]с = 3Л(Н20)/4п г0,
[НА10Н*]0 = 3арЛА1/4п г3, [НА10Н]0 = 0,
где в - доля молекул НА10Н*, образованных по (1) к моменту г0. Следует отметить, что принятие тех или иных значений [НА10Н*]0 (через в) и [НА-10Н]0 не влияет на конечные результаты оценок I. Исключение составляет случай в - 1, приводящий на г < 1 с к I > 102 Вт/ср с последующим спадом интенсивности излучения в зависимости от значения тНА10Н*. Это противоречит экспериментальным данным [3], когда, наоборот, наблюдался рост I, и общим физическим механизмам образования НА10Н*, изложенным выше. Поэтому основной объем расчетов проводился при в, близких или равных нулю. О
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.