Механизмы нагрева в ионосфере Земли.

Важнейшими процессами нагрева являются: прямая фотоионизация; фотодиссоциация; диссоциативная фотоионизация; ионизация и диссоциация космическими лучами или частицами Солнечного ветра.

Приведем примеры этих реакций.

О + hν → O⁺ + e^- - прямая фотоионизация

O₂ + hν → O + О - фотодиссоциация

O₂ + hν → O₂⁺ + e^- - фотоионизация молекулы

O₂ + hν → О + O⁺ + e^- - диссоциативная фотоионизация

В этих реакциях энергия поглощенного фотона идет на отрыв электрона, разрушение молекулы, на внутреннюю энергию образовавшихся атомов или молекул и на кинетическую энергию продуктов реакций.

Аналогичны реакции с космическими лучами, только вместо поглощения кванта электромагнитного излучения в этих реакция происходит неупругое столкновение частицы атмосферы Земли с частицей космических лучей. Приведем примеры таких реакций, взяв в качестве частицы космических лучей протон:

N + p⁺ → N⁺ + e^- + р⁺ - прямая ударная ионизация

N₂ + p⁺ → N + N + р⁺ - ударная диссоциация

N₂ + p⁺ → N₂⁺ + e^- + р⁺ - ударная ионизация молекулы

N₂ + p⁺ → N + N⁺ + е^- + р⁺ - диссоциативная ударная ионизация

В этих процессах часть кинетической энергии частиц космических лучей идет на разрушение молекулы, отрыв электрона, на внутреннюю энергию образовавшихся атомов или молекул и на кинетическую энергию продуктов реакций, при этом частица космических лучей сохраняется.

Получим формулу для функции нагрева при прямой фотоионизации. Обозначим ε _v - кинетическая энергия одного свободного электрона со скоростью v,

< ε > - средняя кинетическая энергия одного свободного электрона, ,

где - распределение электронов по скоростям.

При фотоионизации функция нагрева будет равна кинетической энергии, которую получают электроны в результате фотоионизации G_g = < ε > N_ion, где N_ion – число ионизаций в 1 см³ за 1 с. Число ионизаций для атома или молекулы одного сорта можно записать, интегрируя по всем частотам и суммируя по всем энергетическим уровням, с которых возможна ионизация на данной частот

Здесь ν _min – минимальная частота, начиная с которой возможна ионизация, k_in - коэффициент поглощения с i-го уровня на частоте n, c учетом отрицательного поглощения.

Скорость электрона и частота поглощенного кванта связаны между собой выражением: .

Чтобы найти полную функция нагрева за счет фотоионизации, надо еще просуммировать по всем компонентам среды, для которых возможна фотоионизация на данной частоте. Кроме того, точнее будет не использовать некую среднюю кинетическую энергию электронов с неизвестной заранее функцией распределения по скоростям, а внести кинетическую энргию одного электрона под интеграл по частотам. Тогда распределение электронов по энергиям будет явно определяться спектром излучения и характеристиками поглощающих частиц.

.

Рассмотрим ионизацию космическими лучами. Если рассматривать космические лучи с большой энергией, не меньше 10¹⁰ эВ, то их столкновения с атомами или молекулами ионосферы ионизуют их и порождают свободные электроны первого поколения с энергией не меньше 35 эВ. Их мало, так как мало космических лучей с большой энергией. Но энергии этих электронов хватает для ионизации других атомов и молекул, в результате чего образуются электроны второго поколения. Космические лучи с меньшей энергией вызывают только однократную ионизацию. Окончательно средняя энергия всех электронов составляет ~ (3 - 4) эВ.

Космические лучи с энергией не меньше 10⁸ эВ, это первичные космические лучи, в основном это протоны, их интенсивность у Земли ~ 0, 14 .

Функцию нагрева за счет столкновений космических лучей с частицами ионосферы можно записать как: , где суммирование идет по всем типам частиц ионосферы, ξ, и по всем энергетическим уровням, с которых возможна ионизация вследствие соударения с частицей космических лучей, имеющей энергию , n_{К. Л.} – концентрация космических лучей, - эффективное сечение столкновения, зависящее от относительной скорости частиц ионосферы и космических лучей. - энергия одного образовавшегося свободного электрона.

Нижний предел интегрирования, v₁ – минимальная скорость частицы космических лучей, при которой ионизация возможна.