розділ 2.2.4).
Під час оцінки кута Zi, також не враховувалась різниця в потенціалах іонізації
окремих атмосферних складових. Серед атмосферних газів найбільший потенціал
іонізації має молекула N2. В той же час із спостережень видно, що зростання
концентрацій молекулярних іонів NО+, O2+, N2+ з різними потенціалами іонізації
відбувається практично одночасно (з точністю до кількох хвилин), тому таке
наближення є прийнятним.
2.2.2 Іонна хімія F2-області
Основним джерелом іонів та електронів в атмосфері середніх і низьких широт є
фотоіонізація нейтральних складових. Первинний іонний склад неперервно
видозмінюється за рахунок протікання іонно-молекулярних реакцій (табл. 2.1).
Умовою швидкого протікання цього типу реакцій є утворення іонів з нижчим
потенціалом іонізації, ніж вихідні іони. Тому в атмосфері в іонно-молекулярних
реакціях найчастіше утворюються іони NО+ (потенціал іонізації 9.25 еВ) та O2+
(12.08 еВ), відносно рідко О+ (13.62 еВ) і практично ніколи N2+ (15.57 еВ)
[21]. Переважаючим іоном на висотах F2-області є О+ (концентрація в залежності
від умов складає 104…106 см-3). Реакції (1) і (2) визначають основні
фотохімічні втрати іона О+ і одночасно головне джерело молекулярних іонів NО+ и
O2+. На відміну від Е-області, на висотах F2 лише незначна частина іонів NО+ і
не більше 10 % O+2 утворюється безпосередньо за рахунок фотоіонізації через
низькі концентрації відповідних нейтральних компонент [21]. Іон N2+, навпаки,
утворюється лише за рахунок фотоіонізації. Фотохімічні втрати іонів NО+ и O2+
відбуваються в рекомбінації з електронами (8),(9), іона N2+ – переважно в
іонно-молекулярних реакціях (4), (5).
У фотохімічному наближенні концентрації іонів визначаються швидкостями реакцій
(1)-(10) (див. табл. 2.1), які залежать в першу чергу від кінетичних температур
частинок, що вступають в реакцію. Оскільки земна атмосфера вище 100 км є
суттєво нерівноважним середовищем [113], окремо розглядають кінетичні
температури електронів (Те), іонів (Ті) і нейтральних частинок (Тn). На висотах
F-області температури цих компонент атмосфери можуть значно відрізнятися,
особливо температура електронного газу в денних умовах [113]. Це є наслідком
ефективного нагрівання теплових електронів гарячими фотоелектронами, що
утворюються під час фотоіонізації. Вдень Те може в 2…3 рази перевищувати Тn,
вночі ця різниця менша, але все одно становить кілька сотень градусів [21,
113]. Іони також отримують надлишок кінетичної енергії під час утворення, але,
на відміну від електронів, ефективно охолоджуються в зіткненнях з нейтралами
через близькість величин мас. Тому, доки частота зіткнень іонів з нейтралами
достатня для ефективного обміну енергією (на висотах F2 виконується), кінетичні
температури іонної та нейтральної компонент відрізняються не більш ніж на
50-100 К навіть опівдні.
Таблиця 2.1
Основні хімічні реакції в F2- області за участю іонів
Реакція
Коефіцієнт швидкості, см3Чс-1
Згідно з [4]
Згідно з [114]
Іонно-молекулярні реакції
O+ + N2 ® NО+ + N
a1 =1.3Ч10-12(300/Ті) еa vXv, v=0ё10
a1=1.2Ч10-12(300/Тn)0.5(1.0-e-3394/Tn)+
8.0Ч10-11 e-6788/Tn
O+ + О2 ® O2+ + О
a2 =2Ч10-11(300/Ті)1/2
a2=1.7Ч10-11(300/Тn)0.77+
8.54Ч10-11 e-3464/Tn
O+ + NО ® NО++ О
a3=2.3 Ч10-10
a3 =8 Ч10-13
N2+ + О ® NО+ + N
a4 =1.4Ч10-10
a4=1.4Ч10-10(300/Тi)0.44
N2+ + O2 ® O2+ + N2
a5 =1 Ч10-10
a5 =5.0 Ч10-11(300/Тi)0.8
O2+ + NО ® NО++ О2
a6=6.3Ч10-10
a6=4.4Ч10-10
O2+ + N ® NО++ О
a7=1.8Ч10-10
a7=1.2Ч10-10
Реакції дисоціативної рекомбінації
O2+ + е®
® О(1D) + О(3P)
® О(1D) + О(1D)
® О(1S) + О(1D)
b1 =2.2Ч10-7(300/Те)2/3
b1 =1.95Ч10-7(300/Те)0.7, ТеЈ1200 °К
=1.61Ч10-7(300/Те)0.56, Теі1200 °К
b1a = 0.609Ч a3
b1b = 0.389Ч a3
b1c = 0.002Ч a3
NО+ + е ®
® N(4S0) + О
® N(2D0) + О
b2 =4.1Ч10-7(300/Те)1/3
b2 =4.2Ч10-7(300/Те)0.75
b2a = 0.24Ч a4
b2b = 0.76Ч a4
10
N2+ + е ®
® N(2D0) + N(4S0)
® N(2D0) + N(2D0)
b3 =2.9Ч10-7(300/Те)1/3
b3 =1.8Ч10-7(300/Те)0.39
b3a = 0.88Ч a6
b3b= 0.12Ч a6
Примітка. Xv-відносна заселеність коливальних рівнів, av-відношення констант
швидкостей реакцій з рівня v до відповідних констант для рівня v=0
5
10
av
1.56
33
174
252
58.6
140
105
123
123
123
Швидкості реакцій a1 та a2 у загальному випадку залежать також від так званої
коливальної температури, яка характеризує розподіл молекул по коливальних
рівнях і, в загальному випадку, не дорівнює Тn [113].
Значення коефіцієнтів швидкостей реакцій в табл. 2.1 представлені з двох джерел
[114] і [4]. Найбільш суттєва розбіжність спостерігається в a1 і b2, тобто
відносно швидкостей утворення і втрат NО+. У цих двох роботах відображено два
дещо відмінних підходи для пояснення рівноважних концентрацій NО+: В [4]
слабкіша залежність втрат від електронної температури b2 ~ (300/Те)1/3, але це
компенсується неявною залежністю a1 від Те за рахунок врахування коливального
збудження N2. В [114] враховано залежність a1 лише від Тn, а залежність
швидкості рекомбінації b2 ~ (300/Те)0.75. Неоднозначність у визначенні
температурної залежності швидкості рекомбінації NО+ виникла ще близько 30 років
тому, коли незалежними дослідженнями були отримані різні результати. В роботі
[115] отримано наступну залежність рекомбінаційних втрат іонів у припущенні, що
NО+ рекомбінують переважно в основному коливальному стані (v=0):
b2 = (4.3±1)Ч10-7(300/Те)-0.83, 300°К < Те < 3000°К (2.9)
Інший підхід розглянут