Отлипание электронов- Имеют значение также следующие две реакции образования свободных электронов. Одна из них - так называемое фотоотлипание электронов - процесс, обратный прилипанию электронов к нейтральным молекулам. Реакция имеет вид

и приводит к увеличению числа олех тропов

dN д Х-]

(8. 31)

(8.32)

dt dt

где / - коэффициент фотоотлипания электронов.

Для атомарного кислорода рекомендуется значения J да 1,4 сек~, для молекулярного кислорода / да 0,44 сек~, д.ля Од и N0, / да 0,04 сек~ [433].

Другой процесс отсоединения электронов при столкновении, т. е. реакция типа .

X- + M = X-f M-f е, X--f Х-н-X-hX-f е, (8.33)

также приводит к увеличению электронной концентрации

Для 02 и ]М=02 или Na в области D рда Ю -10- см/сек [4331.

В табл. 8.8 сведены наиболее вероятные значения коэффициентов различных микронроцессов.

Таблица 8.8

Коэффициенты микропроцессов, играющих роль в различных областях

ионосферы, и их коэффициенты

3. Уравнения баланса ионизации

Из сказанного ясно, что нри полном расчете баланса ионизации в ионосфере необходимо прежде всего учитывать микропроцессы множества типов частиц, входящих в ее состав, поскольку скорости реакций и их характер для различных частиц часто существенно отличаются. Это приводит к необходимости решения совокупности дифференциальных уравнений, написанных для d [X.t\/dt, d [X~:]ldt, dNjdt, включающих скорости ихионообразования /(Х) и процессы нейтрализации всех сортов частиц. Естественно, что при этом необходимо учитывать зависимость этих величин от высоты и соответственно от температуры. Эти уравнения должны включать члены, описывающие перенос частиц, описываемых общими членами вида div (iVF), div (wF) и div ([X * lF). Кроме того, в ряде случаев, по-видимому, может играть роль, изменчивость различных, входящих в нее коэффициентов от времени, т. е. необходимо уже решать нестационарную задачу.

Таким образом, математически общая задача о балансе ионизации сводится к системе дифференциальпых уравнений в частных производных относительно времени и пространственных координат с переменными коэффициентами.

Ясно, что решить такую задачу в общем случае практически не только невозможно, но ставить ее в таколт виде в настоящее время бессмысленно. Для этого прежде всего отсутствует сколько-нибудь достоверная количественная информация о многих параметрах, особенно онисывашщих динамику частиц. Естественно поэтому, что в большинстве работ, посвященных исследованию баланса ионизации в ионосфере, теории ее образования, решаются частные задачи и описываются отдельные группы явлений. Таким путем было получено много важных уже достаточно достоверных теоретических результатов, подтверждаемых экспериментами различного типа. Сзгществен-ным вопросом в этих исследованиях является выяснение относительной роли членов, характеризующих нейтрализацию зарядов (рекомбинацион-ные процессы), по сравнению с членами, характеризующими движение частиц (процессы переноса), и онрсделоние областей, где действуют оба процесса или исчезает влияние одного из них. Написав для отдельных областей ионосферы более простые уравнения, можно затем их сшивать в переходных областях. Сейчас эти вопросы еще не имеют достаточно исчерпывающего ответа. Но уже можно исходить из следующей картины.

В нижней части ионосферы до высот z л; 180-~200 км главными в уравнениях баланса ионизации являются члены, описывающие нсупругие соударения между частицами, - микропроцессы. Выше этого уровня большую роль уже играет динамика частиц, в частности, диффузия зарядов вдоль, силовых линий, которая относительно усиливается ночью.

Рассматривая основание ионосферы (область высот до 90-100 км), необходимо описывать ее уравнением, учитывающим роль отрицательных ионов. В высоких областях ионосферы для описания микропроцессов можно использовать более простые уравнения; главными здесь являются продукция электронов и диссоциативная рекомбинация. Естественно, что в обоих случаях необходимо учитывать участие различного типа частиц. Тем не менее в ряде случаев можно ограничиваться рассмотрением уравнений для одной составляющей. Это означает, что используемые коэффициенты различных реакций, а также концентрации частиц носят характер некоторым образом усредненных эффективных величин. Такая схема анализа баланса ионизации обычно используется в радиоисследованиях ионосферы для определения из экспериментальных данных усредненных аффективных значений различных величин. При этом баланс ионизации приводится к уравнениям реком-бинационного типа.

dN dt

=.I,-c.,N\ (8.39)

. = . + V. + i- (8.41)

когда dX/dt=0.

Величину ccq обычно называют эффективным коэффициентом рекомбинации, так как уравнение (8. 39) по виду рекомбинационного типа; если \0, то ао = а и JqJ.

В реальных условиях в (8. 41) в нервом приблшкепии меняно пренебречь зависимостью величины 1. от времени; таким образом, изменение электронной концентрации в нижних областях ионосферы описывается квадратичным законом относительно iV, а эффективная скорость этого процесса определяется диссоциативной рекомбинацией и рекомбинацией ионов. Однако, разрешая (8. 35)-(8. 38) относительно d\/dt, получаем уравнение, решение которого, с учетом количественных соотношений между различными его членами (см. [451]), определяет приближенно стационарное значение отношения

Обычно формула (8. 43) и используется для определения \ в области D при анализе экспериментальных данных.

Если учесть, что в области D активны положительные ионы 01=Х, NX, NOX и отрицательные ионы одного сорта 0~ [см. (8. 24)1, то обобщенное уравнение баланса ионизации получает вид

Мы рассмотрим здесь кратко эти уравнения, не учитывающие влияние движения частиц, а более нодробио познакомиться с этими вопросами читатель может в специальной литературе (см., например, 1416, 417, 4511).

Уравнениярекомбинационного типа в области D {z да 60-90, 100 км). Рассматривая один сорт частиц и обозначая концентрацию нейтральных частиц и ионов через N* ш N~, получаем следующие уравнения (см. предыдущий раздел):

=/ + /7V- + p7V-?z -piVfi -a,/V/V+,- (8.35)

= %Nn - IN- - pN-n - a.N-N*; (8. 36)

=/ - a-N-N- - aNN. (8. 37)

При написании уравнений (8. 35) и (8. 36) предполагается, что ионосфера электрически нейтральна, т. е.

N + N- = N = {l-]-\)N, (8.38)

где l.N/N - отношение ионной и электронной концентраций.

Совместное решение (8. 35) - (8. 37) дает уравнение с эффективными коэффициентами /о и a: