Ионосфера

Ионосфера – это ионизированная часть верхней атмосферы, расположенная выше 50 км. Верхней границей ионосферы является внешняя часть магнитосферы Земли. Ионосфера представляет собой природное образование разреженной слабоионизированной плазмы, находящейся в магнитном поле Земли и обладающей благодаря своей высокой электропроводности специфическими свойствами, определяющими характер распространений в ней радиоволн и различных возмущений. Только благодаря ионосфере возможен такой простой и удобный вид связи на дальние расстояния, как радиосвязь.

Первые предположения о существовании высоко над Землёй электропроводящего слоя высказывались в связи с исследованием магнитного поля Земли и атмосферного электричества. Вскоре после открытия А.С. Поповым радио в 1895 году, А. Кеннелли в США и О. Хевисайд в Великобритании почти одновременно (1902 г.) высказали предположение, что распространение радиоволн за пределы прямой видимости обусловлено их отражением от электропроводящего слоя, расположенного на высотах 100—300 км.

Научные исследования ионосферы были начаты в 20-х гг., когда применили зондирующие ионосферные станции и, посылая с Земли короткие радиосигналы с различной длиной волны, наблюдали их отражения от соответствующих областей ионосферы. Английским учёным У. Эклсом был предложен механизм влияния заряженных частиц на радиоволны (1912 г.), советский учёный М.В. Шулейкин (1923 г.) пришёл к выводу о существовании в ионосфере не менее 2-х слоев, английский учёный С. Чепмен (1931 г.) построил теорию простого слоя, в первом приближении описывающую ионосферу. Большой вклад в изучение ионосферы внесли работы советских учёных Д.А. Рожанского, М.А. Бонч-Бруевича, А.Н. Щукина, С.И. Крючкова, английских учёных Дж. Лармора, Э. Эплтона и др.

Наблюдения на мировой сети станций позволили получить глобальную картину ионосферы. Было установлено, что концентрация ионов и электронов в ионосфере распределена по высоте неравномерно: имеются области, или слои, где она достигает максимума.

Таких слоев в ионосфере несколько; они не имеют резко выраженных границ, их положение и интенсивность регулярно изменяются в течение дня, сезона и 11-летнего солнечного цикла. Верхний слой F соответствует главному максимуму ионизации ионосферы. Ночью он поднимается до высот 300—400 км, а днём (преимущественно 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 ионосферы обусловлена резким изменением по высоте условий её образования.

Применение сначала ракет, а потом и спутников позволило получить более надёжную информацию о верхней атмосфере, непосредственно измерить ионный состав (при помощи масс-спектрометра) и основные физические характеристики ионосферы (температуру, концентрацию ионов и электронов) на всех высотах, исследовать источники ионизации, интенсивность и спектр коротковолнового ионизующего излучения Солнца и разнообразных корпускулярных потоков. Это позволило объяснить регулярные изменения в ионосфере.

С помощью спутников, несущих на борту ионосферную станцию и зондирующих ионосферу сверху, удалось исследовать верхнюю часть ионосферы, расположенную выше максимума слоя F и поэтому недоступную для изучения наземными ионосферными станциями.

Было установлено, что температура и электронная концентрация nе в ионосфере резко растут до области F (табл. 3.4.1 и рис. 3.4.1); в верхней части ионосферы рост температуры замедляется, а nе выше области F уменьшается с высотой сначала постепенно до высот 15—20 тыс. км (так называемая плазмопауза), а потом более резко, переходя к низким концентрациям nе в межпланетной среде.

Рис. 3.4.1. Схема слоистости геоносферы по концентрации ионов и электронов

Таблица 3.4.1

Значения характеристик основных областей ионосферы

Область ионосферы

Средняя высота максимума, км

Температура, К

Электронная концентрация ne, см—3

Эффективный коэффициент рекомбинации a', см3·сек—1

День

Ночь

Солнечная активность

максимум

минимум

D

70

220

100

200

10

10-6

Е

110

270

3105

1,5105

3000

10-7

F1

180

800—1500

5105

3105

310-8

F2 (зима)

220—280

1000—2000

25105

6105

~105

210-10

F2 (лето)

250—320

8105

2105

3105

10-10

Наряду с ракетами и спутниками получили успешное развитие новые наземные методы исследования, особенно важные для изучения нижней части ионосферы в области D: методы частичного отражения и перекрёстной модуляции; измерения с помощью риометров поглощения космического 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, когда посылают в ионосферу короткий мощный импульс радиоизлучения, а затем принимают слабый рассеянный сигнал, растянутый во времени в зависимости от расстояния до точки рассеяния.

Этот метод позволяет измерять не только распределение nе до очень больших высот (1000 км и выше), но даёт также температуру электронов и ионов, ионный состав, регулярные и нерегулярные движения и др. параметры ионосферы.

В ионосфере непрерывно протекают процессы ионизации и рекомбинации. Наблюдаемые в ионосфере концентрации ионов и электронов есть результат баланса между скоростью их образования в процессе ионизации и скоростью уничтожения за счёт рекомбинации и других процессов.

Источники ионизации и процессы рекомбинации разные в различных областях ионосферы.

Основным источником ионизации атмосферы днём является коротковолновое излучение Солнца с длиной волны короче 1038 , однако важны также и корпускулярные потоки, галактические и солнечные, космические лучи и др.

Каждый тип ионизующего излучения оказывает наибольшее действие на атмосферу лишь в определённой области высот, соответствующих его проникающей способности.