Алексей Данилов - Популярная аэрономия

И здесь снова помогает подход, о котором мы рассказывали. Рассмотрим просто все ионы-связки вместе, как нечто единое, не занимаясь их внутренними "проблемами", но противопоставляя их обычным ионам NО+ и O2+.

Ионные связки

Чтобы не говорить все время "обычные ионы N0+ и О2+, назовем их еще "первичными ионами". Ведь именно они образуются в результате первичных актов ионизации, а ионы-связки - с другой. Теперь схема преобразований положительных ионов приобретает вполне читаемый вид (см. рисунок) - на ней показаны процессы, которые мы встречали. Стрелки gNO+ и gО+ олицетворяют образование соответствующих ионов в актах ионизации. Стрелка NO, N2 соответствует перекачке О2+ в NО+ по ионно-молекулярным реакциям с N2 и N0. Диссоциативная рекомбинация N0+, O2+ и связок показана соответственно αNO+, αО2+, αсв+. И наконец, два канала образования ионов-связок (из О2+ и N0+) обозначены как ВО2+ и BNO+. Cхема получилась действительно простая. И соотношения, которые легко из нее вывести, тоже оказываются несложными.

Не приводя их здесь, отметим лишь выводы, которые из них следуют.

Во-первых, в рамках этой схемы величина f+ получается обратно пропорциональной электронной концентрации. Вот и качественное объяснение уменьшения f+ с ростом q и [е] обнаруженного по экспериментальным данным.

Во-вторых, выясняется, что роль каналов ВО2+ и BNO+ В образовании связок различна в разных условиях. В невозмущенных условиях образование ионов-связок идет главным образом из ионов N0+, канал ВО2+ мало существен. В возмущенных условиях(поглощение в полярной шапке, солнечная вспышка) каналы меняются ролями и на первое место выходит образование ионов-связок из О2+. Происходит это в основном потому, что эффективность канала ВO2+ не зависит от условий, а величина BNO+ уменьшается с ростом электронной концентрации (примерно, как [e]-1).

Абсолютная величина

Таким образом, из экспериментальных данных с помощью описанной схемы мы получили представление об относительной эффективности и изменчивости двух каналов образования ионов-связок из первичных ионов. Можем мы из тех же данных оценить и абсолютные величины ВO2+ и BNO+. НО вот сказать, какие конкретные химические реакции стоят за этими каналами, мы пока точно не можем. Сведений об эффективности различных реакций - возможных кандидатов на роль главных создателей ионов-связок все еще очень мало.

Это, так сказать, качественная картина, набросанная грубыми мазками. Ну а для количественного анализа, для уточнения деталей нужно еще много работы. Как с лабораторными данными, так и с результатами измерений в ионосфере.

Электрон - легкая частица, положительный ион - тяжелая (отношение масс иона и электрона равно примерно 104). Так уж повелось, что в большей части ионосферы положительные частицы тяжелые, а отрицательные - легкие. Но электрону не нравится быть легкой частицей. Он стремится натолкнуться на одну из окружающих нейтральных частиц и примкнуть к ней. Если это ему удается, образуется отрицательный ион. Это уже тяжелая, отрицательно заряженная частица.

В книге "Химия, атмосфера и космос" в разделе "Что такое отрицательные ионы?" рассказано о том, как в принципе образуются отрицательные ионы, какие именно первичные ионы и в результате каких процессов могут формироваться в земной ионосфере и на каких высотах. Не повторяя здесь всего этого материала, отметим лишь кратко, что отрицательные ионы образуются в области D в результате тройной реакции

Тройная реакция. Формула 32

и поскольку скорость этой реакции α [02]2[е] зависит от плотности атмосферного газа в квадрате, концентрация отрицательных ионов должна резко уменьшаться с высотой.

Коронный вопрос физики нижней ионосферы - это вопрос о λ, т. е. об отношении концентраций отрицательных ионов [Х-] к электронной концентрации [е]. Где, если мы движемся сверху вниз, кончается область легких отрицательных частиц и начинается царство тяжелых? Мы знаем, что на высоте 100 км отрицательных ионов практически нет (λ очень мало). Мы уверены, что на 50 - 60 км отрицательные ионы доминируют над электронами (λ>>1).

Но вот что происходит на этих 40 - 50 км? Где та высота, на которой сравниваются концентрации отрицательных ионов и электронов (λ =1)?

Много лет ученых занимает эта проблема. Много попыток сделано ее решить. Много в результате получено кривых распределения параметра λ с высотой. И среди них... ни одной надежной. Ибо проблема определения количества отрицательных ионов очень сложна.

В принципе возможны два пути ее решения - экспериментальный и теоретический, но...

Мы договорились не вдаваться в технические проблемы аэрономических измерений. Поэтому просто констатируем, что прямо измерить, количество отрицательных ионов [Х-] в области D еще никому не удалось. Видимо, сколь-нибудь надежного прибора для этого просто пока не существует. Но зато сколько было предпринято попыток получить [Х-] из измерений двух других концентраций: электронов и положительных ионов!

Поскольку в ионосфере всегда выполняется условие нейтральности, т. е. равенства количеств положительно и отрицательно заряженных частиц в единичном объеме

Условие нейтральности. Формула 33

достаточно измерить [Х+] и [е], чтобы получить [Х-].

Но с измерением электронной концентрации и особенно концентрации положительных ионов имеются трудности. Единственный метод измерения [Х+]- зонды, устанавливаемые на ракете. О проблемах интерпретации таких измерений мы уже говорили. Ну а к чему приводят результаты зондовых измерений [X+], если мы им верим?

Оказывается, зондовые измерения свидетельствуют в пользу высоких величин λ в области D. Если мы сопоставим средние значения полученных зондовым методом величин [Х+] со средними значениями электронной концентрации, скажем, для дневных условий, то получим (см. рисунок), что [Х+] заметно превышает [е] до высот 85 - 90 км. Но это означает, что практически во всей области D доминируют отрицательные ионы и величина λ много больше 1. Так, получается, что на высоте 80 км λ≈10 (электронов на порядок меньше, чем отрицательных ионов), на высоте 75 км К колеблется от 13 до 62 (!) и т. д.