63. Ионосфера. Ионосферные слои

Ионосферой принято называть область атмосферы, расположенную на высотах, превышающих 60 км. Характерной особенностью данной области является наличие, наряду с нейтральными частицами (молекулами, атомами) газа, также свободных электронов, положительных и отрицательных ионов, образующихся в результате ионизации газов.

В ионосфере одновременно существуют свободные электроны, положительные и отрицательные ноны, причем количество положительных и отрицательных зарядов одинаково, и в целом ионосфера является квазинейтральной. Подобное состояние газов называется плазмой.

Реальная атмосфера является крайне неоднородной как по составу газов, так и по температуре, газовый состав и температура меняются вместе с высотой. Все это совместно с различной энергией ионизации для различных высот приводит к появлению вместо одного нескольких максимумов электронной концентрации. Распределение электронной концентрации по высоте имеет вид ступенчатой кривой с относительно плавным изменением концентрации от ступеньки к ступеньке. Максимумы электронной концентрации обычно отождествляют с положением «слоев» ионосферы. Характеристики основных параметров слоев ионосферы представлены в таблице:

Параметры слоев	Ионосферные слои
Высота слоя , км	60−90	100−140	170−240	230−400
Полутолщина слоя , км	−	15−20	20−100	50−200
Электронная концентрация , эл/куб. м.	108−109	109−2∙1011	2∙1011−4,5∙1011	2∙1011−2∙1012

Распределение электронной концентрации в ионосфере

Слой − самый нижний слой ионосферы. Располагается на высоте 60—90 км. Слой появляется только в дневное время. В ночное время ионизация на этих высотах исчезает и в результате процесса ионизации слой прекращает свое существование.

Слой — первый слой, обнаруженный исследователями. Нижняя граница слоя расположена на высоте 100 км, полутолщина слоя составляет 15—20 км.

Слой располагается на высоте 170— 240 км. Слой существует только днем и преимущественно летом.

Слой существует всегда, днем и ночью, летом и зимой, весной и осенью. Его высота составляет 230—400 км от поверхности Земли. Электронная концентрация подвержена сильным изменениям и даже в спокойные дни и в один и тот же час суток электронная плотность существенно отклоняется от среднего значения.

Слой является основным слоем, отражающим короткие волны, и имеет очень большое практическое значение для радиосвязи.

64. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

В каждом слое значение , постоянно, от слоя к слою величина меняется. Аналогично изменяется и показатель преломления .

Оценим форму траектории радиоволны, распространяющейся в ионосфере. Для выбранной модели ионосферы траектория распространения радиоволны будет определяться законом преломления:

Поскольку распространение волны происходит из оптически более плотной в оптически менее плотную среду, , и т. д. Для отклонения радиоволны обратно к Земле в верхней точке траектории движения угол должен составлять 90°. Тогда условие отражения запишется в виде:

, ,

так как (граница с тропосферой) и .

Подставляя сюда найденное значение относительной диэлектрической проницаемости ионосферы, получим

.

При уменьшении толщины слоев относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы будет изменяться плавно, и траектория радиоволны примет форму кривой линии.

Из найденного условия полного отражения следует:

• С увеличением частоты падающей на ионосферу радиоволны под заданным углом отражение будет происходить от областей с большей электронной концентрацией, то есть, на больших высотах (см. рисунок).

Слоистая модель ионосферы

Отражение от ионосферы радиоволн с различной частотой