Слой Е. Его нижняя граница расположена на высоте 100 км; Ne днем достигает и падает до ночью. Толщина слоя составляет 30 – 40 км. В дневное время максимум Nе в слое Е достигается в полдень, при максимальном солнечном освещении; в ночное время Nе сохраняется почти постоянной. Слой наиболее устойчивый из слоев ионосферы.

Слой F. Этот слой расположен на высоте 250 – 400 км. Слой имеет различную структуру в зимние и летние месяцы. В зимние месяцы в дневное время слой F расположен на высоте 220 – 240 км и Nе max после полудня достигает 6 105 −2 106 элсм3 ; ночью этот слой расположен на высоте 300 – 330

км и его электронная концентрация уменьшается до 2,5 105 элсм3 .

Влетние месяцы в дневное время слой F расщепляется на два слоя – F1

иF2. F1 расположен на высоте 200 – 230 км, F2 – на высоте 300 – 400 км. Nеmax слоя F1 – 2 105 −4 105 элсм3 Ne max слоя F2 – 4 105 −9 105 элсм3 . В ночное время

слой F1 исчезает вслед за заходом солнца; Ne в слое F2 в это же время меняется слабо и составляет 2,5 105 элсм3 .

На высотах более 300 км ионосфера представляет собой полностью ионизированный газ, т.е. нейтральных атомов здесь нет. Выше слоя F на высо-

тах 500 – 1000 км электронная концентрация резко падает до Nе ~ 103 смэл3 .

Здесь основной газ – атомный кислород. На высотах 1000 – 1700 км основным газом становится водород.

22.2. Механизм ионизации и рекомбинации на больших высотах

Для перевода молекулы или атома в ионизированное состояние, молекуле или атому необходимо сообщить некоторую энергию, называемую энергией ионизации. Эта энергия измеряется в электрон-вольтах (ЭВ) eui. Для газов, входящих в состав ионосферы, эта величина лежит в пределах:

О2 12,5 эВ, О ~ 13,5 Эв, H2 ~ 15,4 Эв, Н ~ 15,5 Эв, N2 ~ 15,5 Эв, N ~ 14,5 Эв.

Основным источником ионизирующего излучения является Солнце – его световые потоки и потоки заряженных частиц.

Механизм фотоионизации. Энергия при таком механизме передается

m, υe - масса и скорость свободного электрона.

Из (22.1) следует, что не при всех f (λ) излучениях возможна ионизация.

295

Таким образом, ионизирующим действием обладает только незначительная по энергии часть солнечного излучения – ультрафиолетовая граница при λ < λгр ~ 0,1мк. Однако именно фотоионизация является основным меха-

низмом ионизации в верхних слоях атмосферы.

Ударная ионизация. Вторым по значимости механизмом ионизации является ударная ионизация молекул и атомов быстродвижущимися заряженными частицами. Составим баланс энергии в этом случае

где m1, υ1 - масса и скорость ионизирующей заряженной частицы.

Как следует из (22.2), минимальная скорость υ1 для ионизации составляет ~ 0,1 с. Ударная ионизация в ионосфере составляет примерно 50% от фотоионизации.

Другими, менее существенными источниками ионизации, являются космические лучи и метеоры, движущиеся со скоростью большей, чем 11 км/сек.

Процессы ионизации уравновешиваются противоположными процессами – процессами рекомбинации электронов и положительных ионов. На больших высотах концентрация отрицательных ионов Ni− незначительна, поэтому можно считать, что Ne ≈ Ni+ . Вероятность рекомбинации тем больше,

чем больше как Ne, так и Ni+ . Так как Ne = Ni+ , вероятность рекомбинации можно определить как αe Ne2 (αe − постоянная рекомбинации) .

Тогда уравнение установления электронной плотности можно записать в форме:

296

Из (22.4) следует, что N0e тем больше, чем меньше αe ; с другой стороны, если бы αe не зависела от высоты, то распределение N0e (h) повторяло бы

зависимость Is(h). На самом деле это не так, поскольку с высотой меняется давление и газовый состав верхних слоев атмосферы; образование скачков N0e (h) (слоев E, F, D) обусловлено именно такими факторами.

2. Источник ионизации выключен в момент t = t0 например, после захода Солнца. Тогда

Здесь N0e - равновесная концентрация в момент t = t0.

Формула (22.5) выражает закон изменения Ne в ночные часы. Очевидно, что нижних слоях, где αe велико, Ne убывает очень быстро и поэтому

слой D, например, исчезает почти мгновенно вслед за заходом Солнца (в нижних слоях за счет присутствия отрицательных ионов αэфф >> αe ).

22.3. Электронная диэлектрическая проницаемость ионизированного газа без учета столкновений электронов с ионами и нейтральными молекулами

В соответствии с материальными уравнениями, вектор электрической индукции определяется как

зованности среды, P = P(E).

Рассчитаем P в ионизированном газе, пренебрегая смещением положительных ионов. Электрический момент P , возникающий при смещении одного электрона на r относительно равновесного (в статистическом смысле) положения определяется как - P =e r . е – заряд электрона по модулю.

Если электронная концентрация равна Ne, то средний электрический момент единицы объема или же вектор поляризации P определится как

297

Определим теперь упорядоченное смещение r в электронном газе, возникающее под действием поля напряженности E = Eme j(ωt−krrr ). Поскольку смещение электронов | r |<< λ , запаздыванием в формуле E можно пренебречь и считать, что на электрон действует сила Fe = −eEme jωt . Тогда нерелятивистское

уравнение упорядоченного движения электрона будет иметь вид (внешнее магнитное поле отсутствует)

md22rr = −eEr me jωt . dt

Полагая решение для вынужденного упорядоченного движения электрона в виде rr = rrmejωt (установившийся режим), получим:

Подставляя (22.8) в (22.7), получим

Как следует из (22.9), электронный газ характеризуется как материальная среда с линейными свойствами (P ~ E). Это, вообще говоря, следствие сделанного выше предположения о том, что | r |<< λ . При достаточно больших смещениях электронов проявятся нелинейные свойства электронного

газа.

Подставляя (22.9) в (22.6), найдем

Таким образом, как следует из (22.10), электронная диэлектрическая проницаемость ионизированного газа определяется как

εr =1− εe2 Nωe2

0m

Введем обозначение

298

ω0 носит название круговой частоты Ленгмюра или собственной кру-

говой частоты ионизированного газа.

С учетом (22.11) εr можно переписать в виде

Проанализируем полученный результат (22.12).

1) εr - действительная величина, ε'r' = 0 . Следовательно, потерь в ионизированном газе нет. Этот результат – следствие пренебрежения столкновения электронов с ионами и нейтральными частицами, при которых расходуется энергия, сообщенная электронам внешним полем. Без учета же этих столкновений сообщенная электронам энергия переизлучается полностью, без потерь.

2) εr - величина, всегда меньшая 1. Это означает с физической точки зрения, что конвекционный электронный ток в ионизированном газе противофазен току смещения и при ω > ω0 приводит к уменьшению последнего. Действительно,

r

δrcm = ε0 ∂∂Et = jωε0 Er . (22.14)

r

Сравнение (22.13) и (22.14) показывает, что δе и δcm действительно

противофазны.

3) При ω = ω0 , εr = 0 и волновые явления при ω≤ ω0 невозможны. Дейст-

299

Таким образом, при условии ων <<1 свойства ионизированного газа со-

ответствуют проводящей среде, параметры которой не зависят от частоты. При противоположном условии ων >>1 формулы для ε'r и σ имеют вид:

ε'r =1−3,19 109 Nω2e ,

σ = 2,82 10−2 Nω2e ν.

Здесь с увеличением ω σ монотонно уменьшается.

Используя (22.16), (22.17) и результаты расчета затухания плоских волн в проводящих средах, определим фазовую постоянную β и постоянную затухания α в ионизированном газе

Проанализируем (22.19) в предельных случаях:

301