Ионосфера. Ионизация. Соотношение между концентрацией свободных электронов и отрицательных ионов. Отражение радиоволн от ионосферы, страница 9

В области Dочень мало свободных электронов из-за высокой скорости их прилипания к нейтральным молекулам в результате столкновений (большая плотность воздуха). Поэтому в области Dсуществуют заметные концентрации отрицательных ионов. Область перехода от электронов к отрицательным ионам, по всей видимости, располагается на высоте около 70 км днем и 75-80 км ночью.

Имеется очень мало экспериментальных данных об ионном составе области D. К тому же данные разных источников зачастую противоречат друг другу. Зато, начиная с 60-х годов XX века, интенсивно изучается химия отрицательных ионов в лабораторных условиях. Вот так выглядит одна из предложенных схем химических процессов с участием отрицательных ионов [29]. Цепочка реакций начинается с прилипания электрона к молекуле O₂:

                                .

Скорость этой реакции зависит от плотности атмосферы [М], поэтому свободные электроны почти полностью исчезают ниже некоторой высоты (сама молекула О₂ весьма «охотно» присоединяет к себе лишний электрон). Однако прилипшие электроны могут освободиться в ходе реакций

                                             ,

                                       .

Эти реакции и определяют баланс между отрицательными ионами и электронами. В частности, увеличение концентрации О в мезосфере приводит, благодаря первой из этих реакций, к увеличению концентрации свободных электронов.

Цепочка реакций, ведущих к образованию стабильных отрицательных ионов, начинается с

                                  ,

                                .

Ионы СО₃ могут также образовываться в ходе цепочки реакций

                                     ,

                                       ,

                                        .

Наряду с последней реакцией возможны также процессы

                                 ,

                                    .

Ионы СО₃ быстро разрушаются в результате взаимодействия с О:

                                      .

Эта реакция прерывает последовательность образования отрицательных ионов. Однако ионы СО₃^- могут участвовать и в других реакциях. Например,

                                 ,

                                    ,

что приводит к появлению ионов . Эти ионы весьма стабильны из-за высокого электронного сродства молекулы . Первая из этих двух реакций идет относи­тельно медленно и, таким образом, определяет скорость образования . Вторая реакция быстрая, поэтому концентрация невелика. Процесс

ведет к образованию ионов гидроксила ОН^-, которые в дальнейшем дают другой конечный ион - :

                                ,

при условии, что ионы ОН^-   не успевают погибнуть в результате совокупности других реакций:

                                           ,

                                          .

Возможны также реакции с соляной кислотой:

                                        ,

                                        ,

                                      .

Ионы С1^-   гибнут в процессе ассоциативного отлипания:

.

Кроме этого, возможно также образование ионов-связок типа X^-·(Н₂О)_n, а также ионов-связок с О₂, N₂, CO₂.

Из приведенного рассмотрения весьма гипотетической схемы реакций с участием отрицательных ионов видно, насколько сложна и запутана химия отрицательных ионов области D ионосферы. Именно поэтому данная область до сих пор остается самой малоизученной.

10.5. Отражение радиоволн от ионосферы

Газ, в котором значительная часть атомов или молекул находится в ионизированном состоянии, называется плазмой[8]. Это название было предложено американскими учеными в 1923 г.

Одной из замечательных особенностей плазмы является то, что составляющие плазму частицы в условиях, когда отсутствует термодинамическое равновесие, могут иметь разную среднюю кинетическую энергию, то есть, температуру. Самая высокая температура  обычно у электронов, затем - у ионов, потом – у нейтральных атомов и молекул.