Ионосфера. Ионизация. Соотношение между концентрацией свободных электронов и отрицательных ионов. Отражение радиоволн от ионосферы, страница 4

Влияние ионно-молекулярных реакций

Как отмечалось выше, ионно-молекулярные реакции оказывают существенное влияние на ионный состав области Е. Приведем некоторые примеры ионно-молекулярных реакций:

                              O⁺+N₂→NO⁺+N,

                              O⁺+O₂→O₂⁺+N,

                              N₂⁺+O→NO⁺+N,

                              N⁺+O₂→NO⁺+O.

Требование экзотермичности обусловливает то, что в аэрономических ионно-молекулярных реакциях чаще всего образуются NO⁺ и O₂⁺, редко – ионы O⁺ и никогда не образуются ионы N₂⁺. Слева всегда стоит ион с бóльшим потенциалом ионизации, чем справа. Следует обратить внимание также на то, что ионно-молекулярные реакции помимо перераспределения ионов могут приводить к диссоциации таких устойчивых молекул, как N₂ на атомы. Такой источник атомарного азота может иметь большое значение для формирования ионного состава отдельных областей ионосферы.

К названным реакциям следует добавить еще несколько,  приводящих в конце концов к появлению атомов азота или веществ, являющихся источниками этих атомов в химических реакциях:

                              N₂+hν→N₂⁺+e,

                              N₂⁺+e→N+N,

                              NO⁺+e→N+O.

Атмосфера на высотах 100-200 км  состоит  из молекул и атомов азота и кислорода. Следовательно, в ходе процессов фотоионизации образуются молекулярные и атомные ионы азота и кислорода. Для атомных ионов отсутствуют быстрые реакции рекомбинации, поэтому они могут исчезать только в ходе ионно-молекулярных реакций,  образуя другие ионы. Эти другие ионы должны обладать меньшим потенциалом ионизации. Следовательно, ими будут O₂⁺ и NO⁺. Что касается молекулярных ионов, они участвуют в двух конкурирующих процессах: диссоциативной рекомбинации и ионно-молекулярных реакциях. Анализ показывает, что молекулярные ионы кислорода «гибнут» в основном в реакциях рекомбинации с электронами. Только в области Е и немного выше, где много молекул NO, на концентрацию этих ионов начинает влиять реакция взаимодействия O₂⁺ с NO. В то же время на концентрацию молекулярных ионов N₂⁺ диссоциативная рекомбинация практически не влияет, поскольку для этих ионов гораздо более эффективны ионно-молекулярные реакции. В результате оказывается, что равновесные концентрации ионов молекулярного азота оказываются очень низкими, несмотря на то, что образуется в процессах фотоионизации таких ионов на высотах около 150 км и ниже больше, чем других. Иными словами, процесс ионизации молекулярного азота идет очень быстро, но вследствие высокой скорости «гибели» в ионно-молекулярных реакциях их равновесная концентрация весьма мала.

На высотах 100-200 км  ионы NO⁺ образуются в основном  в ходе ионно-молекулярных реакций, потому что непосредственная ионизация нейтральной окиси азота малоэффективна из-за малой концентрации в смеси других нейтральных газов. Сами ионы NO⁺ не могут дать начало новой ионно-молекулярной реакции из-за низкого потенциала ионизации. Поэтому их равновесную концентрацию определяют реакции гибели посредством диссоциативной рекомбинации.

Подводя итог, отметим, что первоначально в результате фотоионизации образуются первичные ионы N₂⁺, O⁺, O₂⁺, N⁺. В ходе ионно-молекулярных реакций происходит перераспределение типов заряженных частиц, в результате которого в конце концов остаются ионы O₂⁺ и NO⁺. «Гибель» последних происходит в более медленных реакциях рекомбинации.

Изменение ионного состава с высотой

В области Е ионосфера состоит в основном из ионов NO⁺ и O₂⁺, причем днем на высотах 100-130 км их концентрации примерно равны. Ночью доля первых увеличивается, и отношение концентраций может достигать 5-8 единиц. Кроме того, время от времени в слое Е появляются так называемые метеорные ионы, неожиданные для атмосферы. Это ионы Na⁺, Fe⁺, K⁺, Ca⁺, Mg⁺, Al⁺, Si⁺. Чаще всего их концентрация невелика по сравнению с концентрацией обычных ионов, однако в редких случаях становится сравнимой с концентрацией NO⁺ и O₂⁺. Предполагается, что эти ионы появляются в верхней атмосфере в результате испарения метеорных частиц.