Но важно, конечно, не это, а то, знаем ли мы эти константы достаточно надежно, чтобы использовать их для аэрономических расчетов? В целом на этот вопрос сегодня следует ответить утвердительно. После многих лет поисков, споров и ошибок мы знаем сейчас величины γ для основных ионно-молекулярных реакций и их зависимость от температуры. Как ионно-молекулярные реакции вписываются в общий цикл процессов, мы увидим в следующем параграфе, а сейчас расскажем о проблеме, показывающей, насколько сложны вопросы, связанные с ионно-молекулярными реакциями.
Есть такое понятие - "колебательная температура", или "температура колебательного возбуждения". Дело в том, что практически при любой температуре газа часть молекул этого газа будет находиться в состоянии колебательного возбуждения. С ростом температуры количество колебательно возбужденных молекул быстро растет. Однако возможна ситуация, когда температура газа не меняется, а количество (процент) колебательно возбужденных частиц растет (скажем, за счет фотохимических процессов). В этом случае рост числа возбужденных частиц можно приписать росту некоторой эффективной температуры - температуры колебательного возбуждения Тк. В самом простом случае Тк просто равна обычной (кинетической) температуре газа Тн. В остальных случаях (при наличии дополнительных источников возбуждения) Тк больше, чем Т н.
Группой американских исследователей под руководством Фергюсона, заложивших основы наших сегодняшних представлений о величинах γ, в 1969 году был получен неожиданный результат.
Оказалось, что константа самой важной ионосферной ионно-молекулярной реакции (16) зависит от колебательной температуры участвующих в ней молекул азота. Причем не просто зависит, а очень сильно зависит. При изменении Тк от 300 до 1000 К константа γ16 возрастала в 100 (!) раз.
Этот факт получил огромный резонанс среди специалистов по аэрономии. Возник вопрос о пересмотре чуть ли не всей схемы ионизационно-рекомбинационных преобразований в ионосфере. Однако до этого дело пока не дошло. При внимательном подходе выяснилось, что такой драматический эффект получается, когда сам газ остается холодным, при комнатной температуре. А при температуре, скажем, 1000 К увеличение колебательной температуры уже не ведет к росту γ16 более чем в 2 раза. А поскольку нас в ионосфере интересуют как раз температуры Тн в 1000 К и выше, эффект колебательного возбуждения не должен как будто играть такой страшной роли, как показалось сначала.
Однако проблема не снята с повестки дня. Дело в том, что для объяснения ряда эффектов в области F2 ионосферы требуется предполагать зависимость константы реакции (16) от условий. Но от каких? Все от той же колебательной температуры азота? Или, может быть, как предложили недавно, от электронной температуры, которая сильно меняется на высотах максимума F2? Ответ еще предстоит найти.
Что во что переходит или окончательная схема процессов
Мы рассмотрели все этапы той карусели заряженных частиц, которая непрерывно идет в верхней атмосфере и называется ионизационно-рекомбинационным циклом процессов. Соединим теперь отдельные части и посмотрим на картину преобразования ионов и электронов в целом. Помним только, что речь идет о дневной ионосфере на высотах 100 - 200 км, где нет ни отрицательных ионов, ни ионов-связок, которые так усложняют жизнь в области D, и где можно не беспокоиться о динамических процессах. Итак, в результате фотоионизации образуются положительные ионы и электроны. Электроны, как говорится, все на одно лицо - их различить невозможно. А вот ионы образуются разные. В различных количествах. И их дальнейшая судьба складывается по-разному.
Атмосфера на высотах 100 - 200 км, как мы знаем, состоит из молекул и атомов азота и кислорода. Значит, именно ионы N2+, О2+, О+ и N+ образуются в результате фотоионизации. О+ и N+ - ионы атомные. Для них нет быстрой реакции рекомбинации с электроном. Значит, их судьба ясна - они рано или поздно гибнут в ионно-молекулярных реакциях, образуя другие ионы. Какие именно? И это ясно - ионы с меньшим потенциалом ионизации, т. е. О2+ и NO+. А вот у образующихся молекулярных ионов N2+ и О2+ судьба сложнее. Два типа процессов борются за их уничтожение: диссоциативная рекомбинация и ионно-молекулярные реакции. Исход этой борьбы различен для O2+ и N2+. Ионы молекулярного кислорода гибнут в основном в реакциях рекомбинации с электронами, и только на высотах, где много молекул окиси азота (область Е и несколько выше), на судьбу этих ионов начинает влиять реакция О2+ с NO. А вот на концентрацию ионов N2+ диссоциативная рекомбинация совсем не влияет. Слишком велика активность этих ионов в ионно-молекулярных реакциях - эти реакции целиком и определяют гибель N2+. Если выразить все в терминах "времени жизни", то это будет выглядеть так: время жизни N+ относительно ионно-молекулярных реакций много меньше, чем время жизни N2+ относительно диссоциативной рекомбинации.
Эффективность гибели N2+ в ионно-молекулярных реакциях (на рисунке обозначена И-М) настолько высока, что равновесные концентрации этих ионов в ионосфере оказываются очень низкими. Скажем, ниже 150 км концентрации N2+, как правило, меньше предела чувствительности масс-спектрометра. И это несмотря на то, что образуется ионов N2+ в процессе фотоионизации на таких высотах больше, чем каких-либо других ионов, поскольку молекулы азота являются там доминирующей компонентой нейтральной атмосферы. Это явление в аэрономической литературе иногда называют "ненаблюдаемой ионизацией". Иначе говоря, в данном случае ионизация как процесс идет очень активно, но из-за быстрых процессов гибели результирующая равновесная концентрация мала и сплошь и рядом ненаблюдаема.
Последним типом положительных ионов, о судьбе которых мы еще ничего не сказали, являются ионы NO+. Эти ионы образуются в результате ионно-молекулярных реакций. Прямая ионизация молекул NО, конечно, идет, но на рассматриваемых сейчас высотах очень мало может добавить (из-за малости [NO] по сравнению с основными нейтральными компонентами) к активному образованию N0+ в ионных реакциях. Сами же ионы NО+ начать новую ионно-молекулярную реакцию и превратиться в другой ион не могут: у них слишком низкий потенциал ионизации. А следовательно, их дальнейшая судьба ясна - они гибнут только в реакциях диссоциативной рекомбинации.
Все, о чем мы говорили здесь, можно очень компактно изобразить на схеме. Такая схема показана на рисунке. Квадратики обозначают равновесные концентрации ионов и электронов, а стрелки соответствуют фотохимическим реакциям. Символы возле стрелок показывают, какая частица участвует в данной реакции. Скажем, N2 возле стрелки, соединяющей О+ и NО+, означает, что идет реакция ионов О+ с молекулами N2, образующая N0+. Легко видеть, что это упоминавшаяся уже реакция (16).
Итак, глядя на схему, мы можем теперь подвести итог сказанному. Цикл преобразований положительных ионов начинается с ионизации (в нашем случае - с фотоионизации), в результате' которой образуются первичные ионы N2+, О+, O2±, N+. Ионно-молекулярные реакции перераспределяют ионы, превращая в конце концов N2+, О+ и N+ в О2+ и NО+. Эти два иона и участвуют в последней фазе цикла - рекомбинации ионов с электронами, приводящей к исчезновению заряженных частиц.
Схемы, подобные приведенной, очень распространены в аэрономий и очень удобны. Кроме общего описания процесса в целом, как это мы сделали выше, они позволяют получать и уравнения для равновесных концентраций любого иона. Для этого надо в левую часть уравнения записать все процессы, стрелки которых упираются в данный квадрат, а в правую - процессы, стрелки которых от него начинаются. Скажем, в случае NО+ (следите по схеме!)