Как много разных ионов...

Следующим важным параметром после электронной концентрации является ионный состав. Ведь если все электроны одинаковы, то ионов наблюдается много и разных. И они сильно различаются по массе, химическим свойствам, даже размерам. Вопрос о том, из каких именно ионов состоит ионосфера на данном уровне, имеет, как мы увидим, очень большое значение для аэрономии.

В области Е ионосфера состоит целиком из ионов NO⁺ и O₂⁺ (см. рисунок). Днем эти ионы представлены на высотах 100-130 км примерно в равных количествах ([NO⁺]/[0⁺]≈1). Ночью доля ионов NO⁺ возрастает и отношение [NO⁺]/[0⁺] может достигать 5-8.

Картина изменения ионного состава в области Е была бы очень простой и понятной, если бы время от времени там не появлялись так называемые метеорные ионы. Здесь нам придется сделать небольшое отступление и рассказать об этом интересном явлении в верхней атмосфере.

Изменения ионного состава в области Е

В ряде масс-спектрометрических экспериментов (впервые это сделал советский ученый В. Г. Истомин в 1961 году) были обнаружены наряду с обычными азотно-кислородными ионами также неожиданные для атмосферы ионы: Na⁺, Fe⁺, К⁺, Ca⁺, Mg⁺, A1⁺, Si⁺ и т. д. Большинство из них- ионы металлов, поэтому их так и стали называть ионами металлов или металлическими ионами. Но среди них есть и кремний - неметалл, поэтому такое название не совсем точно. Предполагая, что эти ионы появляются в результате испарения в верхней атмосфере микрометеоров, их стали называть метеорными ионами- название также не совсем точное, поскольку метеорная природа этих ионов окончательно не доказана и обсуждаются и другие источники их происхождения. За неимением лучшего мы будем пользоваться этим последним названием, помня, однако, о его некой условности.

Метеорные ионы

Метеорные ионы появляются обычно на профилях распределения ионных концентраций в виде узких слоев с полушириной в несколько километров или даже сотни метров и с очень большим градиентом концентрации от максимума к краям слоя. Как правило, концентрация этих ионов примерно на порядок меньше, чем концентрация основных ионов N0⁺ и 0⁺ (такой случай изображен на рисунке внизу). При этом метеорные ионы практически не влияют на профиль электронной концентрации. Однако наблюдаются ситуации, когда концентрация этих ионов в максимуме сравнима с концентрацией ионов 0⁺ и N0⁺ в окрестностях слоя или даже превышает ее (см. рисунок на стр. 34). В этом случае метеорные ионы влияют на основные ионосферные характеристики двояко. Во-первых, появляется пик на профиле электронной концентрации, соответствующий пику метеорных ионов. Во-вторых, внутри узкого слоя этих ионов резко уменьшаются (часто ниже границы чувствительности масс-спектрометра) концентрации обычных ионов 0⁺ и N0⁺.

Наблюдения концентрации этих ионов

Хотя слои метеорных ионов регистрировались примерно в двух десятках масс-спектро-метрических экспериментов, закономерность их появления все еще плохо понятна. Известно лишь, что чаще всего эти слои появляются в двух высотных интервалах: 92 - 93 и 105 - 110 км. Однако регистрировались такие слои и на других высотах, практически во всей области от 80 до 140 км. Другая особенность этих слоев - одновременное появление нескольких различных ионов (скажем, Mg⁺, Fe⁺, Na⁺) внутри одного слоя. При этом относительная концентрация метеорных ионов может быть различна - в одних случаях в слое доминирует Fe⁺, в других - Mg⁺, а иногда слой может состоять, скажем, практически из ионов Na⁺ с небольшой добавкой К⁺, Са⁺ или других ионов. В целом, чаще в таких слоях встречаются, ионы магния и железа.

Относительная концентрация метеорных ионов

Что касается физикохимии метеорных ионов, то она все еще известна очень плохо. Единственное, что представляется несомненным - это роль механизма ветрового сдвига (см. главу 4, о ночной ионизации выше 100 км) в формировании узких слоев указанных ионов и связь их с появлением спорадического слоя E_s.

Но вернемся к описанию "нормального" ионного состава. Двигаясь вверх от области Е, мы обнаружим, что относительное количество (т. е. доля [NO⁺]/[e] и [0⁺]/[е] ионов N0⁺ и 0⁺ начинает уменьшаться. Их вытесняют ионы атомного кислорода, которые уверенно регистрируются с высот 130 - 140 км. Относительная концентрация ионов 0⁺ быстро возрастает с высотой и уже на высотах 170 - 190 км днем количество ионов 0⁺, с одной стороны, и NO⁺ и О₂⁺ - с другой, оказывается равным. Выше безраздельно доминируют ионы 0⁺ и ионосфера становится практически чисто атомной. Однако ионы N0⁺ и О⁺ прослеживаются масс-спектрометром до больших высот - в максимуме области F₂ их концентрация составляет около 1% общей концентрации ионов. И это, как мы увидим, очень важно. Ведь молекулярные ионы очень активные участники процесса рекомбинации. Даже в таких малых относительных количествах они все еще играют первую скрипку в рекомбинаций в слое F₂.

Почти одновременно с ионами О⁺ на масс-спектрах начинают появляться ионы атомного и молекулярного азота (N⁺ и N₂⁺). Ионы N⁺ ведут себя как младший партнер ионов атомного кислорода - высотный профиль N⁺ довольно точно повторяет профиль ионов О⁺, однако концентрация составляет около 10% от [О⁺]. Ионы N+ образуют в ионосфере типичный слой с максимумом на высотах 180 - 220 км, причем эти ионы всегда остаются малой ионной компонентой - их относительная концентрация обычно не превосходит 10 - 15 %.

Коонцентрация ионов О⁺

Выше максимума области F₂ к безраздельно господствующим там ионам О⁺ начинают примешиваться ионы гелия, а потом и водорода. Ионы гелия не в силах составить достойной конкуренции ионам 0⁺ и так и остаются малой ионной компонентой, достигая максимальной относительной концентрации 10-20% на высотах 500 - 600 км. А вот относительная концентрация ионов водорода неуклонно растет с высотой и наступает момент (точнее, высота), где концентрации Н⁺ и 0⁺ сравниваются. Выше доминируют ионы Н⁺. Это и есть протоносфера.

Ночью изменение ионного состава с высотой происходит в принципе так же, с той лишь разницей, что смена режима от молекулярных ионов к 0⁺ происходит на больших высотах. Ионы N⁺ и N₂⁺, как правило, ночью не регистрируются.

Концентрация ионов

Все, что мы рассказали здесь об изменении ионного состава с высотой, отображено на двух рисунках на стр. 35 (для дня и ночи соответственно). На этих рисунках показано относительное содержание всех рассмотренных ионов, причем ширина области, занятой данным ионом на данной высоте, равна его относительной концентрации в процентах. Например, на высоте 200 км днем [0⁺]/[е] = 45 %; [N⁺]/M = 5% ; [N₂⁺ ]/[е] =10%; [NO⁺]/[e]=20 % и[О₂⁺]/[е] = 20%.