Популярная аэрономия

Дело в том, что уже на заре ионосферных исследований обнаружили странный факт. В области Е гибель электронов происходит пропорционально [е]2 (тогда в равновесных условиях q[e]2), а в области F2 - пропорционально [е] (соответственно q[e]).

Говорят, что в первом случае имеет место квадратичный закон рекомбинации

Формула 25

где ' как раз и есть эффективный коэффициент рекомбинации, о котором мы говорили выше. В данном случае он не должен зависеть от [е].

Второй случай представляет собой линейный закон рекомбинации

Формула 26

Чтобы перейти к нему от предыдущей формулы, надо предположить, что ' сам зависит от

Закон рекомбинации

где - линейный коэффициент рекомбинации, который уже от [е] не зависит.

Фотохимическая теория полностью объясняет наблюдаемое изменение закона рекомбинации в ионосфере с высотой. Впервые это объяснение дал английский ученый Ратклифф, исходя из концепции двух типов процессов: ионно-молекулярных реакций и диссоциативной рекомбинации. Он показал, что на малых высотах, где велика плотность нейтральных частиц и доля молекулярных ионов, гибель электронов определяется именно диссоциативной рекомбинацией, и величина ' просто равна константе диссоциативной рекомбинации * (или средневзвешенному значению, если есть несколько ионов с разными i*).

Когда количество нейтральных частиц становится мало и мала доля молекулярных ионов (как это имеет место в области F2), ионно-молекулярные реакции оказываются тем узким местом, которое тормозит рекомбинационный процесс и тем самым определяет величину коэффициента рекомбинации. В этом случае будет равен [M] и в условиях фотохимического равновесия

Формула 27

Следует подчеркнуть, что мы говорим здесь об условиях фотохимического равновесия в области F2 и о выражении q = [e] лишь, следуя Ратклиффу, в целях наглядности. На самом деле в уравнении баланса заряженных частиц в области F2 и выше всегда должен присутствовать член, описывающий динамику переноса этих частиц. Но это уже тема другого параграфа...

Когда зашло солнце

Одна из увлекательных проблем аэрономии - проблема поддержания ночной ионосферы. Действительно, ведь ионосфера - порождение солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Благодаря ему она существует, на его вариации живо реагирует. Что же должно случиться ночью? Должна ли ионосфера погибнуть, исчезнуть, лишившись своего основного источника? Или ей удастся продержаться на дневных запасах до наступления утра и прихода новых порций живительного излучения? А может, ночью найдется "зам" - нечто, что временно возьмет на себя функции ионообразования и поддержит ионосферу в борьбе с губительной рекомбинацией? Все эти вопросы находят разные ответы на различных высотах. О ночных условиях в областях D (60 - 90 км) и F (180 - 300 км) мы будем говорить ниже. Здесь же мы расскажем о том, как в борьбе идей и мнений решается проблема ночной ионизации для высот 100 - 170 км, где расположены область Е и так называемая долина в ночном распределении [е] между областями Е и F1.

Итак, что же должно случиться с областью E ионосферы ночью, когда зашло Солнце и в атмосферу перестало поступать солнечное излучение.

Как мы уже говорили, когда нет сильных динамических процессов и состояние ионосферы определяется фотохимией, электронная концентрация на заданной высоте описывается простым уравнением

Формула 28

В дневных условиях скорость ионизации уравновешивает скорость гибели электронов в рекомбинационных процессах, поэтому полагают

Скорость ионизации

и решают остающееся простое алгебраическое уравнение, находя [е] по g и '.

А как быть с ночными условиями? Что подставлять в уравнение (28) вместо g? Нуль? Давайте попробуем и посмотрим, что получится. А получится тогда простенькое дифференциальное уравнение

Формула 29

суть которого физически ясна: каждую секунду концентрация электронов уменьшается на величину скорости рекомбинации ' [е]2 (т. е. на число электронов, успевших погибнуть в течение этой секунды в рекомбинационных процессах).

Решение уравнения дает закон изменения электронной концентрации со временем, т. е. позволяет рассчитать, как будет изменяться концентрация электронов в течение ночи. Все зависит, очевидно, от величины эффективного коэффициента рекомбинации, ибо именно он определяет скорость уничтожения электронов после того, как перестала работать фотоионизация. Простые расчеты с помощью уравнения (29) показывают, что при низком значении '10-8 см3xс-1 электронная концентрация должна упасть за ночь меньше чем в 100 раз. А вот при величине ' 10-6 см3xс-1 уменьшение [е] идет очень быстро, примерно в 300 раз за первый час. К концу ночи при этом от области Е должны остаться лишь жалкие крохи - что-то около 20 электронов на кубический сантиметр.