Популярная аэрономия

Эффективность гибели N2+ в ионно-молекулярных реакциях (на рисунке обозначена И-М) настолько высока, что равновесные концентрации этих ионов в ионосфере оказываются очень низкими. Скажем, ниже 150 км концентрации N2+, как правило, меньше предела чувствительности масс-спектрометра. И это несмотря на то, что образуется ионов N2+ в процессе фотоионизации на таких высотах больше, чем каких-либо других ионов, поскольку молекулы азота являются там доминирующей компонентой нейтральной атмосферы. Это явление в аэрономической литературе иногда называют "ненаблюдаемой ионизацией". Иначе говоря, в данном случае ионизация как процесс идет очень активно, но из-за быстрых процессов гибели результирующая равновесная концентрация мала и сплошь и рядом ненаблюдаема.

Последним типом положительных ионов, о судьбе которых мы еще ничего не сказали, являются ионы NO+. Эти ионы образуются в результате ионно-молекулярных реакций. Прямая ионизация молекул NО, конечно, идет, но на рассматриваемых сейчас высотах очень мало может добавить (из-за малости [NO] по сравнению с основными нейтральными компонентами) к активному образованию N0+ в ионных реакциях. Сами же ионы NО+ начать новую ионно-молекулярную реакцию и превратиться в другой ион не могут: у них слишком низкий потенциал ионизации. А следовательно, их дальнейшая судьба ясна - они гибнут только в реакциях диссоциативной рекомбинации.

Все, о чем мы говорили здесь, можно очень компактно изобразить на схеме. Такая схема показана на рисунке. Квадратики обозначают равновесные концентрации ионов и электронов, а стрелки соответствуют фотохимическим реакциям. Символы возле стрелок показывают, какая частица участвует в данной реакции. Скажем, N2 возле стрелки, соединяющей О+ и NО+, означает, что идет реакция ионов О+ с молекулами N2, образующая N0+. Легко видеть, что это упоминавшаяся уже реакция (16).

Итак, глядя на схему, мы можем теперь подвести итог сказанному. Цикл преобразований положительных ионов начинается с ионизации (в нашем случае - с фотоионизации), в результате' которой образуются первичные ионы N2+, О+, O2±, N+. Ионно-молекулярные реакции перераспределяют ионы, превращая в конце концов N2+, О+ и N+ в О2+ и NО+. Эти два иона и участвуют в последней фазе цикла - рекомбинации ионов с электронами, приводящей к исчезновению заряженных частиц.

Схемы, подобные приведенной, очень распространены в аэрономий и очень удобны. Кроме общего описания процесса в целом, как это мы сделали выше, они позволяют получать и уравнения для равновесных концентраций любого иона. Для этого надо в левую часть уравнения записать все процессы, стрелки которых упираются в данный квадрат, а в правую - процессы, стрелки которых от него начинаются. Скажем, в случае NО+ (следите по схеме!)

Формула 20

Вот и уравнение баланса для ионов NО+. Просто, не правда ли?

Нейтральные частицы

Важный параметр с длинным названием

Параметр, о котором пойдет речь, действительно очень важен для ионосферной физики, и у него действительно длинное и трудно произносимое название - эффективный коэффициент рекомбинации. Постараемся показать его важность и расшифровать название.

Все начинается с уравнения баланса для электронов. Оно записывается так: скорость изменения [е] во времени на данном уровне в ионосфере d[e]/dt равна разнице между скоростью образования электронов в результате ионизации q и скоростью их гибели в процессе рекомбинации с положительными ионами [е][Х+]

Формула 21

Поскольку при отсутствии отрицательных ионов (а именно такие условия мы сейчас рассматриваем) количество электронов в единичном объеме [е] равно суммарному количеству положительных ионов в том же объеме [Х+], предыдущее выражение записывается в виде

Формула 22

Коэффициент при [е]2 в рекомбинационном члене в этом уравнении и называется эффективным коэффициентом рекомбинации '.

Хотя, на первый взгляд, этот коэффициент введен несколько формально, он оказался очень полезным и важным для ионосферных исследований.

Действительно, до начала прямых ракетных и спутниковых измерений ионосферных параметров основную информацию об ионосфере давал метод наземного радиозондирования. При этом получали сведения об электронной концентрации на некоторых фиксированных высотах (слои F2, F1 и Е). Для каждой из этих высот можно было построить кривые изменения электронной концентрации со временем (скажем, в течение суток) и оценить величины '. Особенно наглядно это можно сделать, если предположить, что в некий момент, например в момент захода Солнца или полного солнечного затмения, источник ионизации выключается, т. е. величина q становится равна нулю. В этом случае, как легко видеть из формулы (22), d[c]/dt = - '[е]2. Электронная концентрация должна непрерывно уменьшаться, причем скорость уменьшения как раз и определяется коэффициентом '.