Попробовали сопоставить изменения во времени g и [е] на фиксированных высотах (естественно, для этого надо уметь одновременно измерять оба параметра - задача очень непростая!). И, о ужас, получили совсем другую связь между [е] и g, чем ожидалось. Не g∞[e]2 (как дает (39) при d[e]/dt=0 и α' = const), а g∞[e]. И вывод с большой точностью получился одинаковый, хотя разные авторы, проводившие такие сравнения, использовали разные условия и различные наборы данных о g и [е]. Никуда не денешься, для высот 65-85 км получается линейная связь между скоростью ионизации и электронной концентрацией. Как же это увязать с уравнением (38)? Возможность только одна - предположить, что α' не постоянен, а зависит от условий и изменяется (на заданной высоте) примерно обратно пропорционально электронной концентрации (α'∞1/[е]).
Вывод, на первый взгляд, весьма одиозный. Однако, оглядевшись вокруг, ученые нашли этому выводу ряд подтверждений среди других фактов. Например, во время солнечных вспышек.
Известно, что на солнечные вспышки сильнее всего реагирует именно область D. Испущенное во время вспышки мощное рентгеновское излучение относительно свободно проходит основную часть ионосферы, но, поглощаясь на высотах 70 - 90 км, приводит к резкому увеличению ионизации на этих высотах. Сам эффект был известен давно. Но лишь относительно недавно, когда стали контролировать поток рентгеновского излучения Солнца на искусственных спутниках Земли, удалось сделать количественное сравнение степени возрастания g и [е] (большой вклад в это внесли индийский ученый А. Митра и его сотрудники).
Оказалось, что эффективный коэффициент рекомбинации, вычисленный из
по наблюденным g и [е], во время вспышки не остается постоянным. Величина α=g/[e]2 падает с развитием эффекта вспышки (см. рисунок) и достигает минимума примерно тогда же, когда наблюдается максимум электронной концентрации. Значит, мы приходим к тому же выводу, что и раньше (но теперь для специфических условий вспышки, где надежность экспериментальных данных выше), - с увеличением [е] падает α'. Значит, изменчивость α' и обратная зависимость его от изменения [е] - факт, видимо, реальный.
Как всегда, обнаружив экспериментальный факт, обратились к теории. Что она может на это сказать? Может ли (и если да, то чем) быть вызвано изменение α' в зависимости от условий? Теория ответила, что этот вопрос должен по-разному решаться на высотах, где есть отрицательные ионы и где их практически нет. Следуя за ней, и. мы рассмотрим вопрос отдельно для верхней и для нижней частей области D, взяв, как мы договорились, в качестве характерных высот 80 и 70 км соответственно.
Итак, 80 км. Отрицательных ионов (по крайней мере, днем) нет - λ≈0. Из всех членов в выражении
остается только α*.
Вполне естественно, эффективный коэффициент рекомбинации определяется константой диссоциативной рекомбинации положительных молекулярных ионов (чему же еще рекомбинировать, если нет отрицательных ионов!). Но каких именно "положительных молекулярных" ионов? Ведь на высоте 80 км наряду с обычными ионами N0+ и О2+ есть и ионы-связки!
Здесь-то и лежит ключ всей проблемы. Ионы-связки, согласно лабораторным данным, рекомбинируют с электронами гораздо охотнее ионов NO+ и О2+, причем чем сложнее связки, тем выше соответствующая константа а*. В пределе при массе ионов-связок около 100 а. е. м. и выше величина α* стремится к 10-5 см3×с-1. Напомним, что в реальной D-области существуют, скорее всего, именно сложные ионы-связки, поэтому можно эту величину α*св =10-5 см3×с-1 принять для наших рассуждений как характерную величину константы диссоциативной рекомбинации ионов-связок.
Ну а величины α* для обычных ионов обсуждались в предыдущих главах. С учетом температуры области D величина α* для нормальных ионов будет равна примерно 5×10-7 см3×с-1. Разница в константах диссоциативной рекомбинации нормальных ионов и ионов-связок, как видим, очень велика - в 20 раз.
Вот где возможное объяснение изменчивости α' на 80 км! Оно - в изменчивости ионного состава, т. е. соотношения между ионами-связками и нормальными ионами. Захватят власть ионы-связки ([св+]≈[Х+])- и эффективный коэффициент рекомбинации определяется диссоциативной рекомбинацией этих ионов α'≈α*cв =10-510-5 см3×с-1. Доминируют нормальные ионы ([NO+ + O2+]=[Х+])- и α'≈α*нор=5×10-7 10-5 см3×с-1. Между этими крайними случаями возможны, конечно, все промежуточные. Насколько реальна подобная изменчивость, мы уже знаем, поскольку об этом рассказывалось ранее. Правда, измерить ионный состав D-области во время вспышки пока никто не мог (да и не пытался, вероятно, слишком сложно это - поймать нужный момент). Но вот анализ всех измерений ионного состава в разных условиях нам тут весьма поможет. Ведь этот анализ как раз выявил падение относительного количества ионов-связок f+ с ростом электронной концентрации. Качественно это именно то, что нам нужно. Чем выше [e], тем меньше ионов-связок, а значит, тем меньше α'. И наоборот.
Итак, все очень хорошо сходится. И уменьшение g/[e]2 во время вспышек, и линейная связь между g и [е] в верхней части области D объясняются наблюдаемым экспериментaльно изменением ионного состава - уменьшением количества быстро рекомбинирующих ионов-связок при увеличении g и [е]. Это очень важный вывод. Он позволяет теперь всю совокупность данных о g, [e] и ионном составе рассматривать под единым углом зрения, соединить их в одну проблему. Решение проблемы упирается, очевидно, в вопрос о том, почему соотношение между обычными ионами и ионами-связками меняется так, а не иначе. А это в свою очередь связано с поиском путей образования ионов-связок из О2+ и NO+, о чем мы уже рассказывали в этой главе. Таким образом, изучение фотохимических реакций образования ионов-связок становится ключевым моментом для всей проблемы цикла ионизационно-рекомбинационных процессов в верхней части D-области.
Ну а может ли α' на высоте 80 км быть больше 10-5 см3×с-1? Оказывается, может. Но только если в игру вступят отрицательные ионы. Они, как мы говорили, могут играть некоторую роль на этой высоте в сумерках и ночью. Если λ>1, то, согласно уравнению (40), эффективный коэффициент рекомбинации будет в (1+λ) раз больше, чем величина α*. Таким образом, в некоторых случаях не без помощи отрицательных ионов величина а! на высоте 80 км может достигать 10-4 см3×с-1.
Внимательному читателю уже, вероятно, ясно, как должен решаться вопрос о причинах изменения эффективного коэффициента рекомбинации α' в нижней части D-области. Изменением состава положительных ионов тут делу не поможешь. Практически при всех условиях доминируют ионы-связки, поэтому α* в выражении (40) можно считать почти постоянным и равным α*св. Но зато появляется другой фактор, который может изменяться, - λ. Вот его то и обвиняют в наблюдаемой изменчивости α' на высоте 70 км. Конкретно это означает, что во время солнечной вспышки на высоте 70 км величина λ должна (чтобы объяснить уменьшение α') падать примерно в 5 раз.
Следующий естественный вопрос: что же вызывает падение величины Я? Но для ответа на него необходимо построить полную схему преобразования отрицательных ионов. А это, как мы знаем из предыдущего параграфа, дело, увы, пока далекое от завершения...
6. Проблемы нейтральных частиц
Все, о чем шла речь в главах 3 - 5, касалось судьбы заряженных частиц - путей их образования, гибели и взаимной трансформации. Но ведь верхняя атмосфера полна нейтральных частиц. И с ними тоже происходят многочисленные превращения - они образуются и гибнут в фотохимических реакциях, переносятся из одних областей в другие динамическими процессами, возбуждаются и т. д.