Не связывайтесь с ионами-связками!

Ох уж эти мне связки! Право, если бы от ученых, занимающихся той или иной проблемой, зависело, какие вопросы должны в эту проблему входить, стоило бы посоветовать специалистам по области D: "Не связывайтесь с ионами-связками!" Так спокойно было с ионизационно-рекомбинационным циклом процессов, пока в нем участвовали только обычные ионы. А со связками не оберешься хлопот!

Но совет советом, а эти самые ионы-связки так плотно вошли в физику D-области, что изучение последней без них немыслимо. Приходится все-таки ими заниматься, со всеми вытекающими отсюда трудностями...

Первые успешные измерения ионного состава (мы говорим пока только о положительных ионах!) в области D были проведены с помощью масс-спектрометра американским ученым Нарциси более 10 лет назад. И дали эти измерения весьма неожиданные результаты. Оказалось, что ниже 82 км (граница получилась довольно четкая) основными ионами являются не обычные молекулярные ионы N0⁺ (30 а. е. м., расшифровывается - атомных единиц массы) и О₂⁺ (32 а. е. м.), а ионы с массовыми числами 19 а. е. м., 37 а. е. м., 55 а. е. м. и т. д. Что же это за ионы?

"Паспорта" этих ионов расшифровали не сразу. И далеко не сразу поверили в реальность их существования в ионосфере. Всегда ведь есть опасность, что то или иное химическое соединение может занести в верхнюю атмосферу сама ракета, на которой установлен масс-спектрометр. И мы будем напрасно ломать голову, объясняя природу это o соединения в атмосфере, а оно к атмосфере-то и отношения не имеет, а имеет отношение к какой-нибудь там смазке. Такое тоже бывает.

Но в случае данных Нарциси все оказалось не так. Результаты подтвердились в последующих экспериментах, скептицизм рассеялся, и стали искать расшифровку химических паспортов. Нашли. Выяснилось, что эти ионы представляют собой сочетание протонов и молекул воды: 19 а, е. м. = Н₃О⁺ = Н⁺(Н₂0); 37 а. е. м. = Н₅0₂⁺ = Н⁺(Н₂0)₂; 55 а. е. м. = Н₇0₂⁺ = Н⁺(Н₂0)₃ и т. д. Получается последовательность ионов типа. Н⁺(Н₂0)_n, где n=1, 2, 3, ..., причем, как мы видим, эти ионы состоят из протона (иона водорода) и связанных с ним одной или нескольких молекул воды. Отсюда и название: протоногидратные связки, или просто ионы-связки.

Позднее были обнаружены ионы-связки с другими составляющими, помимо Н⁺ и Н₂0,— NO⁺(H₂0), NO⁺(C0₂), NO⁺×N₂ и т. д., затем стали обнаруживать совсем тяжелые ионы-связки типа Н⁺(Н₂0)_n и NO⁺(H₂0)_n с высокими (порядка 5 - 7) n и соответственно массовыми числами больше 100 а. е. м., а потом...

Потом возникло сомнение в том, что вообще все эти ионы - действительно те ионы, которые существуют в D-области. Появилось подозрение, что на самом деле в ионосфере на высотах 60 - 70 км присутствуют в основном очень тяжелые ионы-связки с массовыми числами, возможно, в сотни атомных единиц массы, которые в силу своей неустойчивости легко разрушаются в процессе измерений на составляющие их молекулы и значительно более простые ионы Н₃0⁺, Н₅0₂, NO⁺H₂О и т. д., которые масс-спектрометр и регистрирует. Стали поговаривать даже о том, что ионная химия области D должна рассматриваться не на обычном молекулярном уровне, а на уровне заряженных пылинок или кристаллов, в которые превращаются ионы в процессе образования все более тяжелых и сложных связок.

Область D

Признаемся сразу, что этот вопрос в настоящий момент не решен до конца. Одни масс-спектрометристы целиком доверяют полученным концентрациям отдельных ионов-связок, другие считают, что разрушение происходит и в атмосфере доминируют тяжелые ионы-связки, третьи хранят осторожное молчание.

Что же делать в такой ситуации? Как использовать для изучения физики D-области богатейший материал масс-спектрометрических экспериментов, если неизвестно, что в этих экспериментах измерялось? Остается единственная возможность - не заниматься концентрациями отдельных ионов-связок, но рассматривать на каждой высоте суммарное количество связок и сравнивать его с количеством обычных ионов NО⁺ и О₂⁺.

Именно на этом пути и были в последние годы получены интересные результаты, помогающие разобраться в клубке проблем физики D-области.

Оказалось, что если ввести параметр f⁺, характеризующий соотношение на данной высоте между общим количеством ионов-связок и количеством обычных ионов (f⁺=[CB⁺]/[NO⁺ + О₂⁺], и проанализировать экспериментальные данные об ионном составе, то получается интересная закономерность.

Величина f⁺ на фиксированной высоте очень сильно зависит от уровня ионизации, т. е. от скорости ионизации q и соответствующей равновесной концентрации электронов [ё]. На h = 80 км, например, величина f⁺ изменяется (см. рисунок на стр. 95) от 10² ночью или во время полного солнечного затмения (в этих случаях q и [е] очень малы) до примерно 1 днем (обычные q и [е]) и до 10^-2 во время сильных возмущений типа поглощения в полярной шапке (когда q и [е] сильно возрастают). Изменение, что и говорить, существенное - на 4 порядка величины (в 10 тысяч раз)!

Концентрация электронов

Таким образом, ночью на 80 км доминируют ионы-связки, а доля ионов NО⁺ и О₂⁺ не превышает 1%. Днем и те и другие существуют в примерно равной пропорции, а во время возмущений доля ионов-связок становится мала (проценты) и доминируют обычные ионы. Чем сильнее область D "освещена" ионизующим излучением, тем ниже отступает область ионов-связок. Такое впечатление, что ионы-связки "не любят" освещенный период и предпочитают "держаться в тени".

Давайте посмотрим, какие же заключения можно сделать из этих выводов, основанных на экспериментальных данных. Один из выводов касается эффективного коэффициента рекомбинации - мы поговорим о нем в следующем параграфе. А сейчас обсудим, что дает обнаруженное изменение f⁺ для понимания механизмов образования ионов-связок.

Как образуются ионы-связки? С какого процесса начинается цепочка "связкообразования", как одни связки переходят в другие? На все эти вопросы необходимо иметь ответы, если мы хотим (а мы, несомненно, хотим!) до конца понять физику ионосферы на высотах, где доминируют ионы-связки. Но однозначных ответов, увы, пока нет, хотя нет недостатка в очень сложных и громоздких схемах, включающих десятки реакций. Да и как могут быть однозначными ответы, если схемы преобразования ионов-связок включают такое большое число реакций, многие из которых не исследованы в лаборатории. И если сами концентрации отдельных ионов-связок известны нам плохо из-за возможных эффектов разрушения во время измерений.

И здесь снова помогает подход, о котором мы рассказывали. Рассмотрим просто все ионы-связки вместе, как нечто единое, не занимаясь их внутренними "проблемами", но противопоставляя их обычным ионам NО⁺ и O₂⁺.

Ионные связки

Чтобы не говорить все время "обычные ионы N0⁺ и О₂⁺, назовем их еще "первичными ионами". Ведь именно они образуются в результате первичных актов ионизации, а ионы-связки - с другой. Теперь схема преобразований положительных ионов приобретает вполне читаемый вид (см. рисунок) - на ней показаны процессы, которые мы встречали. Стрелки g_NO⁺ и g_О⁺ олицетворяют образование соответствующих ионов в актах ионизации. Стрелка NO, N₂ соответствует перекачке О₂⁺ в NО⁺ по ионно-молекулярным реакциям с N₂ и N0. Диссоциативная рекомбинация N0⁺, O₂⁺ и связок показана соответственно α_NO⁺, α_О2⁺, α_св⁺. И наконец, два канала образования ионов-связок (из О₂⁺ и N0⁺) обозначены как В_О2⁺ и B_NO⁺. Cхема получилась действительно простая. И соотношения, которые легко из нее вывести, тоже оказываются несложными.

Не приводя их здесь, отметим лишь выводы, которые из них следуют.

Во-первых, в рамках этой схемы величина f⁺ получается обратно пропорциональной электронной концентрации. Вот и качественное объяснение уменьшения f⁺ с ростом q и [е] обнаруженного по экспериментальным данным.

Во-вторых, выясняется, что роль каналов В_О2⁺ и B_NO⁺ В образовании связок различна в разных условиях. В невозмущенных условиях образование ионов-связок идет главным образом из ионов N0⁺, канал В_О2⁺ мало существен. В возмущенных условиях(поглощение в полярной шапке, солнечная вспышка) каналы меняются ролями и на первое место выходит образование ионов-связок из О₂⁺. Происходит это в основном потому, что эффективность канала В_O2⁺ не зависит от условий, а величина B_NO⁺ уменьшается с ростом электронной концентрации (примерно, как [e]^-1).

Абсолютная величина

Таким образом, из экспериментальных данных с помощью описанной схемы мы получили представление об относительной эффективности и изменчивости двух каналов образования ионов-связок из первичных ионов. Можем мы из тех же данных оценить и абсолютные величины В_O2⁺ и B_NO⁺. НО вот сказать, какие конкретные химические реакции стоят за этими каналами, мы пока точно не можем. Сведений об эффективности различных реакций - возможных кандидатов на роль главных создателей ионов-связок все еще очень мало.

Это, так сказать, качественная картина, набросанная грубыми мазками. Ну а для количественного анализа, для уточнения деталей нужно еще много работы. Как с лабораторными данными, так и с результатами измерений в ионосфере.