Для теоретичної оцінки дії продуктів згоряння твердих і рідких ракетних палив на іонний склад і електронну концентрацію Nе в нижній іоносфері можна скористуватись моделлю, детально обгрунтованою і описаною в роботі [48]. При розробці цієї моделі враховано той факт, що при роботі ДУ ракет в атмосферу викидаються в значних кількостях продукти згоряння H 2 O, Н, Н 2 , СО 2 , NO, HCl, Cl. Вони, з одного боку, самі впливають на процеси перетворення іонів, з іншого – приводять до зміни концентрацій інших малих складових (О, О 2 , О 3 , NO 2 , ClO, HOCl), які впливають на іонний склад та електронну концентрацію. В моделі враховано 140 фотохімічних процесів для заряджених часток і нейтральних складових. Це дозволяє використовувати її для оцінки як поведінки заряджених компонентів в нижній іоносфері при запусках рідинних і твердопаливних РН, так і зміни нейтрального складу атмосфери. Особливістю моделі є схема процесів, яка дозволяє розглянути механізм дії хлорвміщуючих продуктів згоряння 459 твердого ракетного палива на Nе – перетворення негативних іонів , , , , 3 2 3 2 − − − − NO NO CO O від яких є ефективні шляхи відлипання електронів, в дуже стабільні іони − Cl . Швидкість єдиного процесу відлипання електронів від − Cl залежить від концентрації атомарного водню Н, який безпосередньо міститься в продуктах згоряння, а також утворюється при взаємодії з середовищем таких продуктів згоряння, як Н 2 О, Н 2 , Сl. Просторово-часовий розподіл компонентів продуктів згоряння, що мають великі фотохімічні часи життя xϕ τ на висотах мезосфери (Н 2 О, СО 2 , NO, HCl, H 2 ) визначається рівнянням: , ) 4 / exp( ) 4( ) , ( 2 2 / 3 io i i n Dt r Dt S t r n + − = − π (7.1) з припущенням, що цей розподіл зумовлюється тільки процесами дифузії, а джерело викиду є миттєвим і точковим. В рівнянні (7.1) S i – кількість викинутих молекул на даній висоті при Δh = 1км, D – коефіцієнт турбулентної дифузії; r – відстань від точки викиду; io n – концентрація компонента в фоновій атмосфері. Концентрація компонентів продуктів згоряння, у яких xϕ τ суттєво змінюється з висотою (для деяких з них – від декількох секунд на h = 50 км до тисячі і більше секунд на h = 90 км), розраховується для моментів t < xϕ τ на даній висоті з допомогою (7.1), а для t > xϕ τ - із рівняння нерозривності: [ ] 2 ) /( ) ( / o jo j j j j j r r n t n D n L Q dt dn − − − − = (7.2) Тут j j j n L Q , - швидкості утворення і втрат j -того компонента; o r - відстань, на якій концентрації компонентів, що викидаються, присутні в фоновій атмосфері і розраховуються за допомогою (7.1), стають менше io n .Концентрації решти малих складових, які включені в модель і не містяться в продуктах згоряння ракетних палив, також розраховуються із рівняння (7.2), яке дозволяє врахувати вплив як фотохімічних процесів, так і дифузії, роль якої зростає через виникнення градієнтів концентрацій в збуреній області простору. 460 Через складність питання про агрегатний стан викинутих продуктів згоряння (насамперед H 2 O) і суперечливості експериментальних даних і теоретичних розрахунків в виконаних за моделлю роботи [48] розрахунках прийнято, що компоненти продуктів згоряння знаходяться в газоподібному стані. З цієї точки зору наведені результати можна розглядати як максимально можливі ефекти. Для визначення дії РН різних типів на нижню іоносферу виконані розрахунки для твердопаливної ракети “Тополь” і рідинної ракети “Союз”, які на h = 50-90 км викидають в НПС маси М продуктів згоряння відповідно ∼ 6,2 і 15,7 т. Фонові концентрації всіх заряджених компонентів визначені з врахуванням всіх джерел іонізації в залежності від широти, сезону і рівня сонячної активності. Загальна картина зміни електронної концентрації (у відносних одиницях Ne / Neo, де Neo – фонова концентрація електронів) на h = 50-70 км з моменту викиду продуктів згоряння ракет “Тополь” і “Союз” для відстані r = 0,3 км від джерела викиду (вона завідомо перевищує для цих ракет відстань, на якій зрівнюються густини викинутих продуктів згоряння і фонової атмосфери), показана на рис.7.4. Слід відмітити загальну тенденцію зменшення Ne при запусках обох ракет з найбільш сильним падінням у випадку твердопаливної РН, а також складну зміну Ne / Neo з максимумом на t = (1-1,3) ⋅ 10 3 с на h = 50-70 км для “Тополя” і на h = 60 км – для РН “Союз”. 461 Такий характер зміни Ne пояснюється зміною під дією продуктів згоряння, які грають визначальну роль в балансі іонізації в нижній частині області D [48]. При запуску твердопаливних РН в результаті викиду великих кількостей HCl і подальшого збільшення концентрацій Cl і ClO діє описаний вище механізм перебудови складу негативних іонів, який приводить до збільшення долі Cl і падінню Ne, а відмічений надто короткочасний максимум Ne на фоні загального її падіння викликаний відлипанням електронів від іонів − Cl під дією атомарного водню H, що утворився в результаті дисоціації HCl i H 2 O. При запуску рідинної РН діє інший, менш ефективний механізм зниження Ne – в результаті дисоціації великих кількостей викинутої Н 2 О і протікання ряду хімічних процесів зменшуються концентрації кисневих складових О, О 3 і падає ефективність відлипання електронів в ланцюгу: . 2 3 e O CO → → − − В результаті цих процесів збільшуються концентрації Н, що приводить до відлипання електронів від фонових іонів − Cl і короткочасного підвищення Ne на h = 60 км. На більшій відстані від місця викиду продуктів згоряння обох РН відбувається тільки монотонне зниження Ne, яке починається пізніше, оскільки потрібно більше часу, щоб викинуті компоненти досягли на цій відстані концентрацій, які суттєво перевищують фонові. Рис.7.4. Зміна електронної концентрації в нижній частині області D при запуску ракет “Тополь” (–) і “Союз” (- - -) 462 Характерно, що із збільшенням відстані ефективність дії рідинної РН зменшується швидше, ніж твердопаливної. Слід відмітити, що в цілому ефекти дії будь-яких РН на нижню іоносферу суттєві лише на невеликих відстанях (r = 2 км) від джерела викиду продуктів згоряння. На h = 80-90 км, як видно з рис.7.5, при запусках обох РН відбувається зниження Ne, яке зумовлене підсиленням під дією викинутої Н 2 О процесу перетворення простих молекулярних іонів + 2 O і + NO в іони-зв’язки. Значно більший викид Н 2 О у РН “Союз”, ніж у “Тополя”, приводить до більш сильного падіння Ne на цих висотах при запуску рідинної ракети. Аналогічні результати відносно зміни електронної концентрації отримані для більш потужних рідинних ракет, ніж “Союз” – важкого класу “Ангара” та середнього класу “Рокот”. З приведених вище результатів можна зробити наступні висновки: 1) електронна концентрація при викидах продуктів згоряння ракетних палив знижується на всіх висотах, причому ступінь падіння і тривалість ефекту залежить від висоти і відстані, від місця викиду продуктів згоряння; 2) на висотах h < 70 км більш сильний вплив на іонний склад і Ne здійснюють твердопаливні РН, а h = 80-90 км – рідинні;
Рис.7.5. Зміна електронної концентрації в верхній частині області D при запусках РН “Тополь” (–) і “Союз” (- - -) 3) основним активним компонентом продуктів згоряння твердого палива є HCl і в значно меншій мірі Н 2 О, а для рідких ракетних палив лише Н 2 О.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Область D іоносфери» з дисципліни «Екологія, авіація і космос»
