Ионосфера. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ионосфера - ионизованная часть атмосферы верхней; расположена выше 50 км. Верх, границей И. является внеш. часть магнитосферы Земли. И. представляет собой природное образование разреженной слабоионизованной плазмы, находящейся в магн. поле Земли и подвергающейся воздействию ионизующего излучения Солнца. Только благодаря И. возможно распространение радиоволн на дальние расстояния. Методы наблюдений ионосферы. Изучение И. началось в 20-х гг. 20 в. методом вертикального радиозондирования на разных частотах f. Макс, значение частоты радиоволн, отражённых от данной области И., соответствует её плазм, частоте f₀ и связано с электронной концентрацией n_е ф-лой:

где е и m - заряд и масса электрона, e₀ - диэлектрич. проницаемость вакуума. Вертикальное радиозондирование даёт информацию об изменениях И. над данным пунктом, а мировая сеть станций позволила получить глобальную картину распределения n_е в И. по земному шару за ряд солнечных циклов. Применение ракет и спутников позволило непосредственно измерить ионный состав (при помощи масс-спектрометра) и др. физ. характеристики И. (температуру и концентрацию ионов Т_i, n_i и электронов Т_е, п_е)на всех высотах, исследовать источники ионизации - интенсивность и спектр коротковолнового ионизующего излучения Солнца и разнообразных корпускулярных потоков. Это дало возможность построить теорию образования И. С помощью спутников, несущих на борту ионосферную станцию и зондирующих И. сверху, удалось исследовать верх, часть И., расположенную выше гл. максимума n_е и поэтому недоступную для изучения наземными ионосферными станциями. Наряду с ракетами и спутниками применяются наземные методы исследования, особенно важные для изучения ниж. части И.: методы частичного отражения и перекрёстной модуляции, измерения поглощения космич. радиоизлучения на разных частотах, исследования поля длинных и сверхдлинных радиоволн, а также метод наклонного и возвратно-наклонного зондирования. Большое значение имеет метод обратного некогерентного (томпсоновского) рассеяния, основанный на принципе радиолокации. Этот метод позволяет измерять не только распределение n_е до очень больших высот (1000 км и выше), но даёт также Т_е, Т_i, ионный состав, регулярные и нерегулярные движения и др. параметры И.

Рис. 1. Схема вертикального строения ионосферы.

Структура ионосферы. Установлено, что n_е в И. распределена по высоте неравномерно: имеются области или слои, где она достигает максимума (рис. 1). Таких слоев в И. несколько, и они не имеют резко выраженных границ. Верх, слой F соответствует гл. максимуму ионизации И. Ночью он поднимается до высот 300-400 км, а днём (преим. летом) раздваивается на слои F₁ и F₂ с максимумами на высотах 160-200 км и 220-320 км. На высотах 90-150 км находится область Е, а ниже 90 км - область D. Слоистость И. обусловлена резким изменением по высоте условий её образования. Установлено, что Т_е, T_i и n_е в И. резко растут до области F (табл. и рис. 2); в верх, части И. рост T_i замедляется, а n_е выше области F уменьшается с высотой сначала постепенно до высот 15-20 тыс. км (т. н. плазмопауза), а потом более резко, переходя к низким концентрациям n_е в межпланетной среде. Характеристики И. изменяются с широтой; различают среднеширотную, экваториальную, авроральную и полярную И., из к-рых наиб. регулярна среднеширотная. Наблюдаются спокойные и возмущённые состояния

вертикали электронной концентрации n_е в ионосфере; буквами отмечено положение различных областей. И. Структура спокойной И. регулярно изменяется во времени: в течение дня, сезона и 11-летнего солнечного цикла. От минимума к максимуму солнечного цикла n_е изменяется от n_е^мин до n_е^макс, растут темп-pa и высота слоев И. (табл.). Значения характеристик основных областей ионосферы для средних широт

Образование ионосферы. В И. непрерывно протекают процессы ионизации и рекомбинации. Наблюдаемые в И. концентрации ионов и электронов есть результат баланса между скоростью их образования в процессе ионизации и скоростью уничтожения за счёт рекомбинации и др. процессов. Источники ионизации и процессы рекомбинации разные в разл. областях И. Осн. источником ионизации И. днём является коротковолновое излучение Солнца с длиной волны l[1038 Е, однако важны также и корпускулярные потоки, галактические и солнечные космические лучи и др. Каждый тип ионизующего излучения оказывает наиб, действие на атмосферу лишь в определ. области высот, соответствующих его проникающей способности. Так, коротковолновое излучение Солнца с l=85-911 Е большую часть ионов образует в И. в области 120-200 км (но действует и выше), тогда как излучение с l=911-1038 Е вызывает ионизацию на высотах 95-115 км, т. е. в области Е, а рентг. излучение с l короче 85 Е - в верх, части области D на высотах 85-100 км. В ниж. части области D, ниже 60-70 км днём и ниже 80-90 км ночью, ионизация осуществляется т. н. галактич. космич. лучами. Существенный вклад в ионизацию области D на высотах ок. 80 км вносят корпускулярные потоки (напр., электроны с энергией х30-40 кэВ), а также солнечное излучение первой линии серии Лаймана (L_a) водорода с l=1215,7 Е (см. Спектральная серия). Кроме обычных условий ионизации, во время солнечных вспышек всплеск рентг. излучения вызывает внезапное возмущение в ниж. части И. Через неск. часов после солнечных вспышек в атмосферу Земли проникают также солнечные космические лучи ,к-рые вызывают повыш. ионизацию на высотах 50-100 км, особенно сильную в полярных шапках (областях вблизи магн. полюса). В этой зоне в отд. периоды времени действуют потоки протонов и электронов, к-рые вызывают не только ионизацию, но и заметное свечение атмосферы (полярные сияния)на высотах 100-120 км, но они действуют и ниже, в области D. Во время магн. бурь эти потоки корпускул усиливаются, а зона их действия расширяется к более низким широтам (иногда т. н. низкоширотные красные сияния наблюдают на широте Москвы и южнее). Когда в межпланетном пространстве в районе Земли возрастает солнечный корпускулярный поток, к-рый задерживается магнитосферой, происходит не только возмущение геомагн. поля (магнитная буря), но изменяются радиационные пояса Земли, усиливаются корпускулярные потоки в зоне полярных сияний и т. д. При этом происходит также дополнит, разогревание верх. атмосферы и изменяются условия ионизации И. В свою очередь, изменения И. и движения в ней влияют на вариации геомагн. поля и др. явления в верх, атмосфере. Процессом, обратным ионизации, является процесс нейтрализации, или рекомбинации. Механизм рекомбинации изменяется с высотой. Обычная радиоактивная рекомбинация эффективна лишь выше ~1000 км, где концентрация атомных ионов на 5 порядков выше концентрации молекулярных. В осн. части И. происходит диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов с коэф.

см³ с^-1. На малых высотах ниже ~70 км (где n_еЪn_i) преобладает процесс взаимной нейтрализации положит, и отрицат. ионов, или ион-ионная рекомбинация, с участием стабилизирующей нейтральной частицы (рекомбинация Томсона). Скорость исчезновения ионов в И. характеризуется эффективным коэф. рекомбинации a', к-рый определяет величину n_е и её изменение во времени. Значения a' для разд. областей И. различны (табл. и рис. 3). Наряду с рассмотренными выше процессами в области F существенны процессы амбиполярной диффузии и дрейфового переноса.

Рис. 3. Среднее измеренное значение эффективного коэффициента рекомбинации a на высотах 50-300 км.

Рис. 4. Распределение с высотой концентрации ионов в верхней части ионосферы.

Состав ионосферы. Ионный состав И. отличается от первичного ионного состава, образующегося при ионизации верх, атмосферы солнечным излучением, в связи с тем, что в ней происходят физ--хим. процессы трёх типов: ионизация, ионно-молекулярные реакции и рекомбинации, соответствующие трём стадиям жизни ионов - их образованию, превращениям и уничтожению. В разных областях И. каждый из этих трёх процессов проявляется по-своему, что приводит к различию ионного состава по высоте. Так, днём на высотах 85-200 км преобладают положит, молекулярные ионы NO⁺ и О₂⁺; концентрация ионов N₂⁺ на 3 порядка меньше концентрации ионов NO⁺ . Выше 200 км в области F преобладают атомные ионы O⁺, а выше 600-1000 км - протоны Н⁺. Ниже 70-80 км существенно образование комплексных ионов-гидратов типа (Н₂О)_nН ⁺ , а также отрицат. ионов, из к-рых наиб, стабильны ионы О₂^-, NO₃^- и HCO₃^-. Отрицат. ионы наблюдаются лишь в области D. Распределение по высоте ионов с относительно малой концентрацией важно для объяснения осн. особенностей процессов, протекающих в И. Так, в области ионизационно-рекомбинац. равновесия (ниже 200 км) доля первичных ионов N₂⁺ и О⁺ уменьшается с уменьшением высоты, свидетельствуя об усилении ионно-молекулярных реакций из-за роста плотности атмосферы. Выше 200-300 км доля ионов N⁺ лишь немного возрастает по сравнению с O⁺, а концентрации ионов Н⁺ и Не⁺обладают максимумами вблизи области высот, где концентрации ионов О⁺ и Н⁺ становятся равными (рис. 4), что обусловлено распределением этих ионов по барометрической формуле. Этим же обусловлено аналогичное распределение с максимумом для двукратно ионизованных ионов Не⁺⁺и O⁺⁺ . В ниж. части области Е на высотах 90-95 км часто образуется максимум E_s (рис.2) ионов металлов Mg⁺, Fe⁺c примесью Si⁺, Na⁺, Са⁺, Аl⁺ и Ni⁺ (их происхождение связывают с дроблением метеоров на этих высотах). Меньшая концентрация ионов металлов наблюдается в вечернее время на разл. высотах вплоть до 500-600 км; она особенно возрастает вблизи геомагн. экватора, что свидетельствует об особых условиях движений и перемешивания в И. Характеристики ионосферных слоёв. Закономерности изменения параметров И.- степени ионизации или n_е, ионного состава и эффективного коэф. рекомбинации различны в разных областях И.; это обусловлено в первую очередь значит, изменением по высоте концентрации и состава нейтральных частиц верх, атмосферы. В области D наблюдаются наиб, низкие n_e<10³ см^-3(рис. 2). В этой области И. из-за высокой концентрации молекул, а следовательно, и высокой частоты столкновения с ними электронов происходит наиб, сильное поглощение радиоволн, что иногда приводит к прекращению радиосвязи. Здесь же, как в волноводе, распространяются длинные и сверхдлинные радиоволны. От всей остальной части И. область D отличается тем, что наряду с положит, ионами в ней наблюдаются отрицат. ионы, к-рые определяют мн. свойства области D. Первоначально отрицат. ионы образуются в результате тройных столкновений электронов с нейтральными молекулами O₂. Ниже 70-80 км концентрация молекул и число таких столкновений настолько возрастают, что отрицат. ионов становится больше, чем электронов. Уничтожаются отрицат. ионы при взаимной нейтрализации с положит, ионами. Т. к. этот процесс очень быстрый, то именно им объясняется довольно высокий эффективный коэф. рекомбинации a', к-рый наблюдается в области D (табл.). При переходе от дня к ночи в области D концентрация электронов n_е резко уменьшается и соответственно уменьшается поглощение радиоволн, поэтому раньше считали, что ночью слой D исчезает. В момент солнечных вспышек на освещённой Солнцем земной поверхности сильно возрастает интенсивность рентг. излучения, увеличивая ионизацию области D, что приводит к увеличению поглощения радиоволн, а иногда даже к полному прекращению радиосвязи - т. н. внезапноеиионосферное возмущение (Делинджера эффект). Продолжительность заметных возмущений обычно 0,3-1,5 ч. Более длительные и более значит, поглощения бывают на высоких широтах (т. н. поглощения в полярной шапке, ППШ). Повыш. концентрация n_е тут вызывается солнечными космич. лучами (в основном протонами с энергией в неск. МэВ), к-рые способны проникнуть в атмосферу только в районе геомагн. полюсов (полярных шапок), где магн. силовые линии не замкнуты. Длительность явлений ППШ достигает иногда неск. дней. Область И. на высотах 100-200 км, включающая слои Е и F₁, отличается наиб, регулярными изменениями. Это обусловлено тем, что именно здесь поглощается осн. часть коротковолнового ионизующего излучения Солнца. Теория ионизационно-рекомбинац. равновесия, уточняющая теорию простого слоя ионизации, хорошо объясняет все регулярные изменения n_е и ионного состава в течение дня и в зависимости от уровня солнечной активности. Ночью из-за отсутствия источников ионизации в области 125-160 км величина n_е сильно уменьшается, однако в области Е на высотах 100-120 км обычно сохраняется довольно высокая n_е=(3-30)310³ см^-3. О природе источника ночной ионизации в области Е мнения расходятся. На высотах областей D и Е иногда наблюдают кратковременные, необычайно узкие слои повыш. ионизации (т. н. спорадические слои E_s), состоящие часто из ионов металлов Mg⁺, Fe⁺ , Ca⁺ и др. За счёт E_s возможно дальнее распространение телевизионных передач. Признанной теорией образования слоев E_s является т. н. теория "ветрового сдвига", согласно к-рой в условиях магн. поля движения газа в атмосфере "сгоняют" ионы к области нулевой скорости ветра, где и образуется слой E_s. Концентрация ионов О⁺ становится больше 50% выше уровня 170-180 км днём и выше 215-230 км утром, вечером и ночью. Выше и ниже этого уровня условия образования И. совершенно различны. Так, днём, когда максимум ионизации коротковолновым излучением Солнца расположен ниже этого уровня, образуется слой F₁. Этот слой регулярно наблюдается по ионограммам только при большой высоте Солнца над горизонтом, преим. летом и в основном при низкой активности Солнца, а в максимуме активности зимой он не наблюдается. Выше указанного уровня создаются благоприятные условия для образования области F₂. Поведение гл. максимума ионизации, или области F₂, является очень сложным, оно коренным образом отличается от поведения областей Е и F₁. Так, хотя в среднем электронная концентрация n_е в слое F₂ определяется солнечной активностью, но ото дня ко дню она сильно изменяется. Максимум n_е в суточном ходе бывает сильно сдвинут относительно полудня, при этом сдвиг зависит от широты, сезона и даже долготы. Сезонной аномалией наз. необычное увеличение n_е зимой по сравнению с летним сезоном. В экваториальной области до полудня имеется один, а после полудня и ночью - два максимума n_е, расположенных в геомагн. широтах

Рис. 5. Изменение высоты максимума области F в течение дня по ракетным данным: I и II - зима и лето при низкой активности Солнца; III - при высокой активности Солнца.

b15 (экваториальная, или геомагн., аномалия). В период восхода Солнца оба максимума начинают расходиться, перемещаясь в более высокие широты, и быстро исчезают, в то время как на экваторе образуется новый максимум. Обнаружено необычное поведение области F₂ и на высоких широтах, в частности образование широтной зоны пониж. ионизации ("провала"), идущей параллельно зоне полярных сияний, где наблюдается повыш. ионизация. Всё это говорит о том, что помимо солнечного излучения изменения n_е в области F₂ определяются рядом геофиз. факторов. Высота гл. максимума И. h_макс слоя F в ср. широтах северного полушария изменяется в течение суток сложным образом (рис. 5), глубоко спускаясь утром и достигая максимума вблизи полуночи. Высота слоя F₂ зимой ниже (кривая I), чем летом (кривая II), а при высокой активности Солнца (кривая III) выше, чем при низкой (кривые I и II). Новая теория образования области F учитывает действие амбиполярной диффузии, к-рая объяснила мн. особенности области F, в т. ч. осн. аномалию - образование максимума F значительно выше максимума новообразования, расположенного в области 150 км. Описанные выше вариации высоты слоя F она связывает с изменением в течение дня интенсивности ионизации и температуры атмосферы. Существование слоя F ночью объясняется притоком ионов сверху, из протоносферы, где они накапливаются в течение светлой части дня. Из-за различия механизма образования высота слоя ночью выше, чем днём. Мн. особенности в изменении верх, части И., расположенной над максимумом области F, повторяют суточный ход и глобальное распределение n_е в максимуме слоя. Это говорит о тесной связи этих областей И. Выше максимума области F уменьшение концентрации ионов с высотой происходит по барометрич. ф-ле. При этом с увеличением высоты возрастает доля более лёгких ионов. Поэтому преобладание ионов О⁺ в области F сменяется днём выше 1000 км преобладанием ионов Н⁺ (протоносфера). Ночью в связи с понижением температуры протоносфера опускается до высот ~600 км. В верх, части И. по направлению к высоким широтам обнаружен рост доли тяжёлых ионов на данной высоте, что аналогичным образом связывается с наблюдаемым ростом температуры. Однако поведение И. в полярных областях пока полностью не объяснено. Движения потоков заряж. частиц в И. приводят к возникновению турбулентных неоднородностей электронной концентрации. Причины их возникновения - флуктуация ионизующего излучения и непрерывное вторжение в атмосферу метеоров, образующих ионизированные следы. Движение ионизованных масс и турбулентность И. влияют на распространение радиоволн, вызывая замирание. Изучение И. продолжает развиваться в двух направлениях - с точки зрения её влияния на распространение радиоволн и исследования физ--хим. процессов, происходящих в ней, чем занимается аэрономия .Совр. теория позволила объяснить и распределение ионов с высотой, и эффективный коэф. рекомбинации. Ставится задача построения единой глобальной динамич. модели И. Осуществление такой задачи требует сочетания теоретич. и лаб. исследований с методами непосредств. измерений на ракетах и спутниках и систематич. наблюдений И. на сети наземных станций.

Литература по ионосфере

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.