Ионосфера. Ионизация. Соотношение между концентрацией свободных электронов и отрицательных ионов. Отражение радиоволн от ионосферы, страница 8

                      .

Оценка величин отдельных слагаемых показывает, что можно пренебречь ионизацией и рекомбинацией (последние квадратные скобки) Тогда

                                         ,

где, напомним, a₃ – характеризует скорость прилипания электронов, J - фотоотлипания, а a₅ - отлипания в результате столкновений.

Оказывается, что постоянная времени процесса образования отрицательных ионов путем прилипания[7] составляет не более 1 часа на высотах около 120 км и намного меньше на меньших высотах, то есть, свободные электроны весьма быстро расходуются на образование отрицательных ионов. Поэтому можно считать, что в течение короткого времени устанавливается равновесие, и тогда для стационарного случая имеем

                                                 .

Таким образом,  отношение количества отрицательных ионов и электронов зависит от скорости прилипания электронов к нейтральным частицам и от скорости отлипания под действием солнечного излучения и столкновений.

Коль скоро   из (10.8') получаем   

                                           ,

где a₆ определяет скорость рекомбинации положительных ионов и электронов, a a₇ - рекомбинации положительных и отрицательных ионов. В частности, это годится для области D. Расчеты с использованием полученной формулы показывают, что в интервале 60-75 км величина l уменьшается от ≈10² до ≈10^-2, то есть на 4 порядка.

В области Еl << 1. Поэтому возможны дальнейшие упрощения:         

                                                 .

При более детальном анализе следует учитывать образование нескольких типов ионов. Уравнения при этом, конечно, усложняются.

10.3. Химия положительных ионов в области Е

Здесь ионы образуются в основном за счет фотоионизации молекулярного азота и молекулярного кислорода солнечным ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями. Образуется также небольшое количество ионов NO⁺ и О⁺ в результате прямой ионизации. Эти первичные ионы затем участвуют во множестве химических реакций, приводящих к образованию других, вторичных ионов, и в реакциях рекомбинации, устанавливающих баланс между образованием и уничтожением ионов [29].

Первичные ионы О₂⁺ образуются в большом количестве, а их разрушение в реакциях диссоциативной рекомбинации

                                                                                                        (10.12)

и ионно-молекулярной реакции с NO  

                                                                                            (10.13)

происходит весьма медленно. Наоборот, ионы N₂⁺ являются очень короткоживущими из-за быстрой реакции

                                 .                                                            (10.14)

Реакция (10.14) является дополнительным источником О₂⁺. Однако ионы N₂⁺ реагируют также с атомами О, образуя NO⁺ (атомов О в области Е достаточно много):

                                   .                                                           (10.15)

Значения a₁₄ и a₁₅ сравнимы, поэтому роль каждого процесса зависит от соотношения концентраций О₂ и О. Ниже уровня 100 км доминирует реакция (10.14). Кроме перечисленных реакций нужно также учитывать диссоциативную рекомбинацию NO⁺:

                                        .                                                      (10.16)

Предполагая существование фотохимического равновесия и пренебрегая медленными реакциями, а также не учитывая малую концентрацию N₂⁺, находим

                                      ,

                  .

Уравнение электронейтральности в области Е имеет вид , то есть, игнорируются другие положительные ионы и все отрицательные ионы (и тех и других мало в области E).

Добавим, что образовавшиеся в результате первичной ионизации ионы О⁺ быстро исчезают в реакциях с O₂, N₂ и СO₂, поэтому они играют весьма малую роль в этой области. Здесь максимальная концентрация О⁺ составляет не более 10% от концентрации О₂⁺.

10.4. Отрицательные ионы в области D