"ВСПЫШКИ" В АТМОСФЕРЕ

В редакцию журнала поступают письма, авторы которых интересуются образованием в атмосфере хемилюминесцирующих зон (ХЛ). Что это за явление? Как оно возникает? Оказывает ли влияние на самочувствие экипажей летательных аппаратов и работу пилотажно-навигационных систем и других приборов? Об этом, в частности, спрашивают офицеры-авиаторы В. Амельченко, Ю. Грибов, Н. Куликов.


20 сентября 1977 года жители Петрозаводска наблюдали необычное явление природы. Около 4 часов утра на темном небосклоне вдруг ярко вспыхнула как бы огромная звезда, импульсивно посылавшая на землю свет. По наблюдениям очевидцев, "звезда" довольно медленно двигалась к Петрозаводску и, распластавшись над ним в виде медузы, повисла, осыпая город множеством тончайших лучевых струй, которые напоминали проливной световой дождь. Затем свечение уменьшилось, и "медуза", превратившись в яркий полукруг, возобновила свое движение в сторону Онежского озера, над которым клубились серые облака. Потом в этой пелене образовалась своего рода промоина ярко-красного цвета в середине и белая по бокам. Длилось все около 10-12 минут.

Инженеры, работавшие этой ночью в вычислительных центрах, расположенных в районе наблюдения, отметили крупные неполадки в работе ЭВМ, нормальное функционирование которых затем полностью восстановилось. Во время свечения в воздухе резко пахло озоном. Директор Петрозаводской обсерватории заявил, что за всю историю наблюдений такого явления не отмечалось.

Что же было его причиной?

Прежде всего отметим, что это не результат каких-либо технических экспериментов и не мираж. Это явление, по мнению ученых, порождено образованием в атмосфере зоны яркого свечения (зоны ХЛ).

Науке известно, что слабое свечение воздуха визуально совершенно незаметно и отмечается только специальными приборами. С помощью их изучен спектр собственного излучения свежего воздуха. Его волновой диапазон начинается при 250-300 нм, после чего наблюдается широкая диффузная полоса с максимумом при 700-800 нм, простирающаяся далее в инфракрасную область. Обычно на фоне этой полосы регистрируется не один, а несколько спектральных максимумов, в том числе и в видимом диапазоне, в основном при 430 нм (индиго - синий цвет ультрамарина), при 500 нм (голубой цвет берлинской лазури), при 600 нм (оранжевый цвет сурика).

Поскольку ни азот, ни кислород в чистом виде, без какого-либо воздействия на них физико-химических факторов, собственным излучением не обладают, источником собственного излучения воздуха считаются молекулы, атомы и ионы, обладающие высокой химической реакционной способностью. Так, диффузная полоса обусловлена реакцией озона с окисью азота, спектральные максимумы - реакциями озона, атомов кислорода, окислов азота, паров воды и двуокиси углерода.

Вызывают свечение, кроме того, реакции и многих органических веществ, в частности углеводородов, а также ионы озона, кислорода и окиси азота, свободные атомы многих веществ, электроны и радикалы, содержащиеся в воздухе радиоактивные вещества. Следовательно, свечение свежего воздуха образуется в результате химических реакций, то есть по своей природе является хемилюминесценцией.

Установлено, что свечение воздуха непосредственно обусловливается его свежестью, то есть присутствующими в нем микропримесями химически активных частиц (озона, ионов и других). Длительность свечения зависит от концентрации веществ. Поскольку в атмосфере они не только расходуются, но и образуются, слабое свечение воздуха происходит. постоянно. Таким образом, энергия химических реакций частично преобразуется в кванты света, что и вызывает подобного рода явления.

Вместе с тем по различным причинам иногда в атмосфере происходит весьма резкое повышение концентраций хемилюминесцирующих частиц, сопровождаемое довольно значительным свечением, более заметным в ночное время. Области самого яркого свечения (зоны ХЛ) обладают собственным источником химической энергии, поэтому могут пульсировать, иметь разный цвет и перемещаться. Длительность их существования и интенсивного свечения примерно 0,5-1 час.

Зоны ХЛ могут образовываться в атмосфере довольно неожиданно. Тем не менее для их возникновения, особенно крупных размеров, необходимы определенные условия. Одно из них - прорыв в тропосферу стратосферного озона. Его концентрация в приземном слое атмосферы при этом повышается в 100 и более раз, причем сохраняется на высоком уровне несколько часов. Происходит это при временном исчезновении тропопаузы и образовании достаточно интенсивных нисходящих воздушных потоков.

Другое условие - укрупнение азотсодержащих фотохимических аэрозолей, образующихся в стратосфере под действием солнечного излучения и космических лучей. Для этого в воздухе необходимо накопление исходных веществ, конденсирующихся на аэрозолях, которые затем могут высыпаться в тропосферу. С уменьшением высоты плотность воздуха существенно повышается. Это и приводит к стабилизации аэрозолей на определенном эшелоне. Однако с приближением их к земле температура возрастает, а это приводит к таянию аэрозолей, переходу веществ из твердой фазы сначала в жидкую, а затем в газовую. При резком возрастании температуры повышается концентрация хемилюминесцирующих веществ и, естественно, увеличивается скорость химических реакций. Вот здесь наиболее вероятно образование одной или даже нескольких зон ХЛ.

Но практическое значение имеет не только наличие в зонах ХЛ химической энергии и их собственное свечение. Если в обычном воздухе концентрация ионов и электронов совершенно незначительна, то в таких зонах она возрастает в тысячи и даже миллионы раз. Резко повышается и проводимость воздушных масс. В результате у них появляется способность отражать радиоволны. Так, нередко при радиолокационных наблюдениях после визуального исчезновения зоны ХЛ отметка от нее длительное время сохраняется на экране индикатора. В то же время подобная зона, особенно в дневное время, может остаться вообще незаметной из-за невысокого свечения по сравнению с солнечным излучением. В этом случае зона ХЛ представляет собой ложную цель (так называемое ангел-эхо или радиолокационный призрак). Представляет также интерес способность зон ХЛ быть источником радиоизлучения в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах. Причем электромагнитное излучение может быть весьма значительным.

Обработав результаты наблюдений, в Петрозаводске установили, что интенсивность оптического излучения непосредственно в зоне ХЛ достигла 15 кал/см2 -мин. Принимая бимолекулярный механизм реакций, получим, что концентрации хемилюминесцирующих веществ составляли 50 мг/м3 для озона и 25 мг/м3 для окиси азота (точнее, в пересчете на эти вещества). В различных частях зоны ХЛ преобладающие хемилюминесцирующие частицы были разными, абсолютные величины их концентраций, также существенно различались. Это и явилось причиной возникновения лучевых струй, имеющих разный цвет. В зависимости от реагирующих частиц импульсы света при хемилюминесценции воздуха могут иметь синий, голубой, оранжевый, красный и другие цвета.

Перемещение воздушных масс в зоне ХЛ, их вертикальное перетекание создало своего рода промоину с преобладанием двуокиси азота и атомов кислорода, обусловившими ярко-красное свечение в ее центре. Относительно равномерное содержание веществ вокруг "промоины" привело к сочетанию излучений с разной длиной волн, то есть к свечению белого цвета. Зона ХЛ оставляла за собой светящийся след. Следовательно, его светимость объяснялась наличием в нем тех же самых веществ, что и в самой зоне ХЛ. Рассеяние следа, по-видимому, и создало большую концентрацию озона, при котором обычно повышается также содержание окислов азота. По мере рассеивания и расхода веществ в хемилюминесцентных реакциях интенсивность лучевого свечения зоны ХЛ постепенно снижалась, но над городом интенсивность хемилюминесценции несколько возросла вследствие повышения концентрации окислов азота за счет локального загрязнения атмосферы.

Загрязнение атмосферы способствует возникновению зон ХЛ. Чем выше содержание в воздухе сконцентрировавшихся веществ, тем ярче хемилюминесцентное свечение. Размеры зон ХЛ могут быть самыми различными - от нескольких сантиметров до нескольких километров в диаметре. Максимальные высоты, на которых еще возможно их возникновение, составляют 50-70 км.

Представляют ли зоны ХЛ какую-либо опасность для летательных аппаратов и их экипажей? Это зависит прежде всего от концентрации содержащихся в них веществ, а также от размеров этих зон. Само по себе хемилюминесцентное свечение в основной своей части (в оптическом и инфракрасном диапазонах) совершенно безвредно, а по спектру оно близко к солнечному излучению. Однако зоны ХЛ могут являться источником и радиоизлучения, достаточно мощного для того, чтобы повлиять на связь и даже работу электронных приборов, в частности ЭВМ. Способность же отражать радиоволны может привести к нарушению работы радиолокационного оборудования.

Следует также учитывать, что все хемилюминесцирующие вещества при повышенных концентрациях являются токсическими, способными при их проникновении в кабину летательного аппарата оказать неблагоприятное воздействие на экипаж. По цвету свечения можно судить о токсичности воздушной среды в зоне ХЛ. Так, синий и голубой цвета указывают на преобладание в ней озона и атомов кислорода, которые более токсичны, чем, например, окись и двуокись азота, распознаваемые по оранжевому и красному свечению.

Надо отметить, что даже в дневное время суток самолет может оказаться в мало интенсивной зоне ХЛ, собственное свечение которой (по сравнению с солнечным светом) незаметно. Такой случай, видимо, произошел над Атлантическим океаном в яркий солнечный день с шестью американскими самолетами "Эвейнджер", причем летчики подверглись наркотическому воздействию.

Иногда попадание в зону ХЛ может быть зарегистрировано по неожиданному появлению в кабине резкого, раздражающего запаха при наддуве наружного воздуха. При весьма высокой концентрации энергии и веществ а зонах ХЛ они способны не только светиться, но и взрываться. Их можно рассматривать также как одну из разновидностей шаровых молний. Расчеты показывают, что размеры взрывоопасных зон ХЛ не могут превышать 1-1,5 м, а это существенно ограничивает и мощность их взрыва. Как бы ни была малой вероятность их возникновения непосредственно по курсу движения самолета или ракеты, таких зон ХЛ на отдельных участках полета следует избегать, используя визуальные, радиолокационные и другие радиотехнические наблюдения.

Таким образом, экипаж всегда должен быть психологически подготовлен к тому, что иногда может измениться обычная окраска подстилающей поверхности или облаков, в кабине появится резкий непривычный запах и возникнет интенсивное свечение. Ничего сверхъестественного или особо исключительного в этом нет. Просто в воздухе значительно повысилось содержание хемилюминесцирующих веществ, способных реагировать между собой с испусканием света. Вместе с тем обнаруженная зона хемилюминесценции требует повышенного внимания; она может оказать влияние на самочувствие летчика, на работу электронного и радиоэлектронного оборудования.

М. ДМИТРИЕВ, доктор химических наук

("Авиация и космонавтика", 1978, № 8)

Назад