на спутнике 000-2 с помощью масс-спектрометров. По этим данным в рассматриваемом интервале высот lHel/[H*] 10-2.

Таким образом, в интервале высот 2>1000-Ь2000 км концентрация Ше+] уменьшается почти на два порядка. Интересной особенностью этих данных является также быстрое уменьшение в зависимости от внешних условий значений на один ж даже два порядка в интервале высот Z 8000--30 ООО км. Высота этих <шлато (см. рис. 7.8) связана с магнитной возму-щенностью Земли, которая с увеличением индекса магнитной активности уменьшается (это отмечалось в § 3). Легко также заметить, что высотные зависимости, приведенные на рис. 7.8, весьма сходны с профилями электронной концентрации на границе внешней ионосферы, полученными с помопцью электронных (свистящих атмосфериков) и гидромагнитпых свистов (см. рис. 3.17-3.21). Однако с помош;ью свистов на столь низких высотах как z 8000 км колено не наблюдалось.

Относительные значения концентрации ионов, как и относительные значения концентраций нейтральных частиц, изменяются в различных условиях в очень больших пределах. Особенно сильные изменения претерпевают (в зависимости от времени суток, сезона и т. п.) концентрации ионов атомарного кислорода О , гелия Не* и водорода Н+ в области высот z 400--1400 км (рис. 7.9).

Однако средний молекулярный вес ионов М+, по-видимому, сохраняет большую стабильность, чем Mq. Следует отметить, что ионы атомарного водорода (протоны) преобладают над ионами гелия в различных условиях уже на высоте z 1200 км, а ионы нейтрального гелия, по-видимому, преобладают над ионами водорода до высот г 2000-3000 км.

В указанной области высот и выше состав ионов и нейтральных частиц еш;е мало исследованы, поэтому не исключено, что соответ-ствуюшде данные в будущем существенно изменятся. Данных о концентрации отрицательных ионов в ионосфере очень мало. Результаты некоторых измерений показывают, что они играют роль лишь до высот порядка 70-90 км соответственно в дневное или вечернее время.

Совокупность рассматриваемых результатов показывает, что в высотном ходе концентраций ионов различного сорта, по-види-

Спутник OGO-Z

W 10

Нонивмтрация ионов N.,см

Рис. 7.8. Профили концентрации протонов [H*j и ионов гелия [Не *] во внешней ионосфере

измерения на исЗ

Полная концентрация ионов, %

Рис. 7.9. Зависимости процентного содержания концентраций ионов О*. Не*, Н* и N* в области высот Ж)0 1400 кл, полученные в опытах па ИСЗ в 1963 и 1964 гг. [435, 436}

.= /f. (7.7)

а число упругих столкновений меяеду нейтральными частицами и длина их свободного пробега равны

nv = - izanv (7.8)

А --, (7.9)

где в качестве эффективного сечения соударений <з можно принять зпа-чеиие

7га2 . 4,3 . 10-т5 см . (7.10)

Тепловая скорость ионов, число их упругих столкновений с нейтральными частицами и длина их свободного пробега определяются также с помощью формул (7. 7)-(7.10) для нейтральных частиц. Тепловая же скорость электронов в sjM/m раз больше v:

=V=- (7.11)

а число соударений электронов с нейтральными частицами

= каш = 3,6 . 10-1 п yjT. (7.12)

В формуле (7. 12) использовано эффективное сечение соударений о. Зависимости эффективных сечений от электронной температуры для различного сорта нейтральных частиц приведены на рис. 7.10 1851].

мому, МОЖНО выделить три зоны быстрой смены состава. В области D при is < 80-85 преобладают сложные ионы (НзО)+ (М-19) и (II (Н20)2)* (М=37). Их концентрация резко падает при 80-85 ,км\ выше основными становятся ионы (N0)+ (М==30) и (Оз)+ (jlf=32).

Начиная с высот z 150--170 км, значительно преобладают ионы (О) (Л/=16). Третья область быстрой смепы состава ионов соответствует Z 800-7-1000 км. При Z 1000 км состав внешней ионосфсрь! и вообще приземной плазмы главным образом определяют протоны (Н+, М 1).

2. Высотные зависимости температуры и электронной концентрации

В тропосфере температура уменьшается монотонно до высоты z да 9 у полюсов и Z я:: 16 у экватора. Затем до высоты z 35 кл она остается постоянной. Это область первого температурного минимума. В дальнейшем температура возрастает до высоты z 55; 60--65 км, после чего монотонно убывает, достигая второго температурного минимума при z 90 км, где начинается дальнейший рост температуры.

До .высоты Z 100120 км температура и плотность атмосферы определялись как прямыми методами (баллоны, радиозонды, ракеты), так м косвенным путем (метеоры, молярные сияния, изменения скорости звука, приведенной высоты Н). Данные о температуре и давлении выше этих высот первоначально основывались лишь на косвенных данных, а в последние годы температура интенсивно исследуется с помощью ракет и ИСЗ.

Как известно, средняя тепловая скорость нейтральных частиц равна

Рис. 7.10. Зависимости эффективных сечений сз соударений электронов с нейтральными частицал1и различного сорта

о

иоо 800 иоо WOO zooo

Электронная температура Т.

гиоо

В ионосфере вследствие кулоновского взаимодействия между заряженными частицами с высотой начинают постепенно играть существенную роль соударения у. между электронами и ионами и соударения v между ионаьш. Из приведенных данных видно, что при z 200 км v. уже значительно больше v. Число соударений зависит от частоты электромагнитных волн.

5,5/Vi 220Г

(7. 13)

где Ni - концентрация ионов.

При 0)2

(7.14)

Число соударений между ионами v,. ci Естественно, что v зависит

не только от температуры, по и от концентрации заряженных частиц.

Из (7. 13) видно, что при одинаковой температуре и концентрации частиц (т. е. при ~ п) v превышает число столкновений с нейтральными частицами v примерно в 10*-10 раз. Поэтому пренебречь величиной v по сравнению с v можно лишь в тех областях атмосферы, где {nIN) 10. Таким образом, число столкновений электронов и длина их свободного пробега определяются в некоторой части атмосферы через их эффективные значения как сумма двух типов столкновений

.ФФ +

{7.15)

Совокупность различных данных об электронной концентрации и температуре, рассчитанные по ним значения скоростей частиц и соударений между ними приведены в табл. 7.6 и 7,7,

Высотные зависимости электронной концентрации и температуры (в эё) {уЛ\ равная 1 эе, соответствует Г=11 633°), соответствующие разнообразным условиям, показаны на рис. 7.11 и 7.12.

На внешней границе ионосферы наблюдается резкое уменьшение электронной концентрации и быстрое увеличение тепловой энергии частиц с высотой. По-видимому, в области магнитосферы, примыкающей непосредственно к внешней границе ионосферы, т. е. на расстоянии z (30-;-100) 10 км от Земли, значения iV и неустойчивы и быстро изменяются от случая к случаю, однако пределы, в которых они колеблются, меньше изменяются с высотой.