Ионизация и рекомбинация газа в ионосфере

Ионосферой называют область атмосфе­ры, находящуюся на высоте 60—10 000 км, где газ частично или полностью ионизиро­ван, т. е. содержит большое число свобод­ных электронов. Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов опреде­ляет электрические параметры ионизирован­ного газа — его диэлектрическую проницае­мость и проводимость .

Число электронов, содержащихся в еди­нице объема воздуха, называется элект­ронной плотностью ().

Электронная и ионная плотности ионо­сферы непостоянны по высоте, что приво­дит к преломлению и отражению радио­волн в ионосфере.

Объемные неоднородности ионизирован­ного газа вызывают рассеяние радиоволн. Указанные явления определяют условия распространения радиоволн в ионосфере и в одних случаях могут быть использованы, а в других должны быть учтены при работе радиолиний. В связи с этим возникла не­обходимость изучения строения ионосферы и свойственных ей регулярных и случай­ных изменений.

Ионосфера в целом является квази­нейтральной, т. е. количества имеющихся в ней положительных и отрицательных за­рядов равны. Состав газа в этой области атмосферы отличается от состава газа вблизи поверхности Земли: помимо моле­кулярных кислорода и азота имеются ато­мы этих веществ, причем газы не переме­шиваются и располагаются слоями в соот­ветствии с их молекулярной массой.

Температура газа, начиная с высоты h = 80 км, плавно возрастает, достигая 2000—3000 К при h = 500 600 км. Воз­растание температуры с высотой в области ионосферы объясняется тем, что воздух здесь нагревается непосредственно излуче­нием Солнца.

Основным источником ионизации зем­ной атмосферы являются электромагнитные волны солнечного излучения длиной короче 0,1 мкм — нижний участок ультрафиолето­вого диапазона и мягкие рентгеновские лу­чи, а также испускаемые Солнцем потоки заряженных частиц. Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи производят ионизацию только на освещенной части земного шара и более интенсивно в приэкваториальных областях. Заряженные частицы движутся по спиральным линиям в направлении магнит­ных силовых линий к магнитным полюсам земного шара и производят ионизацию глав­ным образом в полярных областях. Счита­ют, что ионизирующее действие потока час­тиц составляет не более 50% ионизирующе­го действия ультрафиолетового излучения Солнца.

Помимо Солнца источником ионизирую­щего излучения являются звезды, особенно те, которые обладают высокой температу­рой (около 20 000°С) и создают интенсивное ультрафиолетовое излучение. Но из-за большой удаленности звезд ионизирующее действие их излучения составляет примерно 0,001 часть ионизирующего действия Солн­ца. Ионизацию создают также метеоры, вторгающиеся в земную атмосферу со ско­ростями 11—73 км/с. Кроме повышения среднего уровня ионизации метеоры созда­ют местную ионизацию: за метеором обра­зуется столб ионизированного газа, который быстро расширяется и рассеивается, суще­ствуя в атмосфере от одной до нескольких секунд. Такие ионизированные следы метео­ров образуются на высоте 80—120 км над земной поверхностью.

Одновременно с появлением новых электронов в ионосфере часть имеющихся электронов исчезает, присоединяясь к поло­жительным и нейтральным молекулам. При этом образуются нейтральные молекулы и отрицательные ионы.

Процесс воссоединения заряженных частиц и образования нейтральных моле­кул называется рекомбинацией.

После прекращения действия источника ионизации электронная плотность спадает по гиперболическому закону. Поэтому с за­ходом Солнца ионизация в нижних слоях ионосферы исчезает не мгновенно, а в верх­них слоях — сохраняется в течение всей но­чи.

4.2. Строение ионосферы

Общая картина распределения элек­тронной плотности по высоте h над земной поверхностью изображена на (рис. 4.1). На высоте 250—400 км, имеется основной максимум ионизации. Область ионосферы ниже основного максимума ионизации принято называть внутренней ионосферой, а область ионосферы выше основного мак­симума — внешней ионосферой. Наиболее изучена внутренняя ионосфера.
Во внутренней ионосфере существуют не­сколько неярко выраженных максимумов концентрации электронов, условно называемых слоями (областями), которые принято обозначать символами D, E, F1 и F2. Области ионосферы D, Е и F1 обладают доста­точно высоким постоянством, проявляющим­ся в том, что суточный ход изменения электронной концентрации и высота их располо­жения сохраняются почти неизменными. С наступлением темноты из-за быстрой ре­комбинации исчезают области D и F1. В то же время электронная концентрация области Е сохраняет постоянное значение в те­чение всей ночи.

В области F2 электронная концентра­ция и высота расположения максимума значительно изменяются день ото дня. При этом ионизация различна в летнее и зим­нее время. Зимой (в северном полушарии) электронная концентрация в этой области увеличивается. Суточный ход электронной концентрации области F2 зависит также от геомагнитной широты (расстояния в граду­сах дуги от магнитного экватора Земли до точки наблюдения).

Ионосфера неоднородна и в горизон­тальном направлении. Максимальные гори­зонтальные градиенты электронной плотно­сти наблюдаются во время захода и восхо­да Солнца, но они существенно меньше вер­тикальных градиентов.

Наряду с рассмотренными регулярны­ми областями ионосферы иногда на высоте 95—125 км образуется так называемый спо­радический слой Е (слой ), в котором электронная концентрация в несколько раз превышает концентрацию области Е. Слой в средних широтах чаще образуется днем в летние месяцы. В полярных же районах слой возникает в основном в ночное время.

Поскольку солнечное излучение является основным источником ионизации атмосфе­ры Земли, то от активности Солнца зависит
и процесс ионизации. Замечено, что актив­ность Солнца изменяется с периодичностью в 11 лет. Критерием солнечной активности служит относительное число солнечных пя­тен, которое характеризует площадь поверхности Солнца, имеющую наиболее высокую температуру. В настоящее время разработаны методы прогнозирова­ния числа солнечных пятен на много лет вперед и более точно на ближайшие годы. Прогнозирование числа солнечных пятен важно в связи с тем, что электронная плот­ность ионосферы коррелированна со средне­месячными числами солнечных пятен. Максимум электронной концентрации увели­чивается в 1,4—3 раза при переходе от ми­нимума к максимуму солнечной активности.

Регулярная слоистая структура ионо­сферы временами нарушается, причем эти нарушения вызваны изменением деятельно­сти Солнца, наблюдающимся особенно час­то в годы максимума солнечной активности. Происходящие на Солнце время от времени вспышки являются причиной из­вержения потоков заряженных частиц, попадающих в атмосферу Земли и нарушающих нормальный режим ионизации ионо­сферы. Структура ионосферы нарушается также под действием процессов, происхо­дящих в коре Земли и нижних слоях атмосферы, например во время извержения вул­канов.

Рис. 4.1. Распределение электронной

плотности по высоте атмосферы

Изменение ионизации сопровождается изменением магнитного поля Земли и это явление носит название ионосферно - магнитной бури. Во время ионосферно-магнитной бури понижается элек­тронная плотность в области слоя F. На­рушения этого вида могут длиться от нескольких часов до двух суток и происхо­дят главным образом в приполярных районах.

Временами на Солнце происходят вспышки интенсивного ультрафиолетового излучения, вызывающего повышенную иони­зацию нижней ионосферы в слое D. Это явление может длиться от нескольких ми­нут до нескольких часов и происходит толь­ко на освещенной стороне земного шара.

Исследования показали, что помимо регулярных и нерегулярных изменений средних величин электронной плотности в ионосфере происходят непрерывные флук­туации электронной плотности. В ионосфере непрерывно происходят сгущения и разря­жения плотности ионизации, нерегулярные как во времени так и от точки к точке. Кро­ме того, под действием ветров вся неодно­родная структура ионосферы перемещается. Причинами образования неоднородностей в ионосфере являются турбулентное движение воздуха и неоднородность ионизации.

Неоднородности представляют собой некоторые области с электронной плотно­стью, отличной от среднего значения элек­тронной плотности на данной высоте ионо­сферы. Размеры неоднородностей на высо­те 60—80 км в слое D составляют до не­скольких десятков метров, на высоте слоя E - 200—300 м, а в слое F размер неодно­родностей достигает нескольких километ­ров, причем они имеют продолговатую форму и вытянуты вдоль силовых линий посто­янного магнитного поля.

Отклонение электронной плотности не­однородностей от среднего значения элек­тронной плотности на данной высоте со­ставляет (0,1 — 1) %; скорость хаотического движения 1—2 м/с.

Поиск по сайту: