книги из ГПНТБ / Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник

сезона года, времени суток, широты места и уровня солнечной активности.

Выше максимума слоя F2 концентрация ионов и электронов убывает с высотой.

§ 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОБРАЗОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ

Теория образования статической ионосферы была разработа­ на О. И. Крючковым (СССР) и С. ЧепМеном (Англия). В наибо­ лее простом варианте она объясняет образование ионизирован­ ного слоя в атмосфере, состоя­

где 12— интенсивность радиации до вступления в поглощающий слой; р — коэффициент поглощения, отнесенный к единице мас­ сы; Zc — зенитное расстояние Солнца.

Подставив формулу (2.1), получим

После интегрирования выражения (2.3) будем иметь

где /о — интенсивность радиации на границе атмосферы.

181

Мощность ионизации qz пропорциональна ослаблению радиа­ ции на единицу расстояния в атмосфере:

где С — коэффициент, характеризующий ионизационную способ­ ность данного газа.

Таким образом, при принятых нами условиях в атмосфере образуется слой с максимумом ионизации, высота которого гт зависит от вертикального масштаба атмосферы и зенитного расстояния Солнца. При Zc= 0 эта высота равна:

Максимум мощности ионизации получим из соотношений (2.7)

и (2.9):

_ C /0cosZc

( 2. 12)

182

Величина qm будет иметь наибольшее значение в полдень, когда

Zc =0:

CIo

ЯтО (2.13)

еН

Если ввести новую координату z' = z — zm0, выражение (2.7) примет вид

нов. Поскольку в атмосфере положительные ионы и электроны образуются парами, то можно принять: ti+=ne=N .

Изменение концентрации электронов со временем равно:

Нетрудно показать, что данное распределение близко к парабо­ лическому.

Если экспоненциальные функции разложить в ряд и ограни­ читься членами во второй степени, то получим уравнение пара­ болы

183

Таким образом, мы получили параболическое распределение кон­ центрации электронов с высотой относительно высоты уровня максимальной концентрации.

На данной высоте концентрация электронов зависит от зенит­ ного расстояния Солнца и вертикального масштаба атмосферы (в основном от распределения температуры с высотой).

Ьувеличением зенитного

расстояния Солнца макси­ мум концентрации электронов уменьшается, а высота его расположения увеличивается

(рис. 9.2).

С помощью формулы (2.17)

можно проводить расчеты электронной концентрации для зенит­ ных расстояний Zc <; 75°.

Распределение электронной концентрации зависит также от вертикального градиента температуры. Чем он больше, тем мак­ симум концентрации электронов менее рельефно выражен

(рис. 9.3).

Сравнение теоретических и экспериментальных данных пока­ зало (Я. Л. Альперт, 1960), что для внутренней ионосферы рас­ пределение электронов удовлетворительно аппроксимируется параболой, параметры которой (Nm, zm) могут быть рассчитаны по данным наземных ионосферных станций. Для внешней ионо­ сферы лучшие результаты дает аппроксимация с помощью экспо­ ненты (рис. 9.4):

184

В результате обработки большого числа наблюдений были найдены средние значения коэффициентов а. Так, при максимуме

сфере в сочетании с переменной во времени температурой и газовым составом согласно динамической мо­

дели атмосферы Харриса и Пристера. Однако полученная модель еще не позволяет объяснить ряд явлений в слое F2. В частности, имеются трудности в объяснении поведения этого слоя ночью.

Следует также учитывать тот факт, что температура ней­ тральных и заряженных частиц в области ионосферы неодина­ кова. Если температура ионов и нейтральных частиц различается сравнительно на небольшую величину, то температура электро­ нов на высоте максимума слоя F2 в годы высокой солнечной ак­ тивности в дневное время может превышать температуру ионов в два и даже в три раза.

Вариации электронной температуры оказывают существенное влияние на концентрацию электронов в максимуме слоя F2, а высота этого максимума зависит от вариаций температуры ней­ тральных частиц.

§3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОЛУЧА В ИОНОСФЕРЕ

В любой среде условия распространения электромагнитной волны характеризуются диэлектрической и магнитной проницае­ мостью, проводимостью среды и коэффициентом поглощения

185

энергии волны. Для ионизированного газа все эти параметры за­ висят от частоты волны и концентрации электронов.

Если рассматривать прохождение радиоволны через ионо­ сферу без учета поглощения и воздействия магнитного поля, то

где N — концентрация электронов, f — частота радиоволны, т н е — масса и заряд электрона.

Между диэлектрической проницаемостью и показателем пре­ ломления среды л для данной частоты радиоволны существу­

Радиолуч, направленный от Земли к ионосфере, при продол­ жении в глубь ионосферы (воз­ растание М) в результате пре­ ломления будет все больше искривляться и, наконец, мо­

жет произойти его отражение от ионосферы.

Для аналитического представления распространения радио­ луча в ионосфере можно использовать формулу для распростра­ нения оптического луча

где n — абсолютный показатель преломления среды, г — рас­ стояние до слоя от центра Земли, i — угол падения луча. Для точек ионосферы А и В (рис. 9.5), согласно формуле (3.3), мож­ но записать равенство

Если пА— 1, гд ~ г в, то при i'B = 90° произойдет отражение радиолуча от ионосферы. В этом случае

186

При вертикальном направлении радиолуча (iA — 0) его отраже­ ние от ионосферы произойдет при выполнении условия

(3.6)

Максимальная частота вертикально направленного радиолу­ ча, который отражается от ионосферного слоя, называется кри­

лучи не отражаются от ионосферы при любых углах возвыше­ ния луча.

Критическая частота зависит от максимальной концентрации электронов и поэтому не является постоянной величиной, а пре­ терпевает пространственно-временные изменения. По критиче­ ской частоте отраженного сигнала с помощью уравнения (3.6) можно надежно определять концентрацию электронов в макси­ муме ионосферного слоя:

сферные станции, ракеты и ИСЗ.

Метод вертикального зондирования ионосферы радиоимпуль­ сами до последнего времени является основным методом иссле­ дования внутренней ионосферы.

Ионосферная станция — это приемно-передающее устройство, позволяющее экспериментально определять зависимость высоты отражения вертикально направленного радиолуча от постепенно изменяемой рабочей частоты. Она состоит из широкодиапазон­ ных передатчика и приемника, имеющих общую антенну, а так­ же индикаторного устройства в виде осциллографа.

Передатчик работает в импульсном режиме с мощностью им­ пульса от 1 до 20 кет. и продолжительностью 100 мксек. Рабо­ чая частота плавно изменяется в диапазоне 1—20 Мгц.

187

В момент излучения зондирующего импульса на экране ос­ циллографа возникает его изображение. Через некоторое время на экране появляется изображение отраженного импульса. Шка­ ла горизонтальной развертки прокалибрована не в единицах вре­ мени запаздывания отраженного импульса, а в действующих высотах. Изменяя рабочую частоту /, получают зависимость действующей высоты от рабочей частоты, называемую высотно­ частотной характеристикой ионосферы. На современных ионо­ сферных станциях высотно-частотные характеристики ионосфе­ ры снимаются автоматически в течение примерно одной минуты. Изображение на осциллографе фотографируется. На рис. 9.6 по­

концентрации с высотой.

Широкое использование метода вертикального зондирования ионосферы сыграло большую роль в развитии радиосвязи и ра­ диовещания в СССР. Результаты зондирований позволили уста­ новить закономерности суточных, сезонных и широтных вариа­ ций электронной концентрации в слоях Е, F 1 и F2 ионосферы.

Для исследования внешней ионосферы зондирующая аппара­ тура поднимается в ионосферу на ракетах или на ИСЗ.

Методы исследования ионосферы при помощи приборов, под­ нимаемых на ракетах, можно разделить на две группы:

1. Ме т о д д и с п е р с и о н н о г о и н т е р ф е р о м е т р а . В ос­ нову определения электронной концентрации положены измере­ ния дисперсии излучаемых с ракеты радоволн. Радиопередатчик УКВ, устанавливаемый на ракете, излучает радиоволны двух частот, которые принимаются на Земле в двух пунктах. При этом непрерывно регистрируются разности фаз и уровни принимае­ мых колебаний. Одновременно измеряются координаты ракеты с помощью оптических и радиотехнических средств.

боров. Результаты измерений по телеметрическим каналам свя­ зи передаются на Землю или же регистрируются на ракете, а за­ тем регистрирующие устройства возвращаются на Землю.

188

На ИСЗ могут устанавливаться специальные ионосферные станции, аналогичные описанным выше, которые зондируют внешнюю ионосферу. Так, на ИСЗ «Алуэтт», запущенном в сен­ тябре 1962 г. на почти круговую орбиту высотой 1000 км с накло­ нением 80°,5, была поставлена ионосферная станция, работавшая на переменных частотах. Основными частями такой станции яв­ лялись импульсный передатчик и приемник, настраиваемый для получения сигналов, отраженных от ионосферы. В течение шести месяцев функционирования спутника «Алуэтт» было получено около 200 000 ионограмм. На ИСЗ для исследования ионосферы используется также метод ионных ловушек.

Исследование ионосферы со спутников имеет большие преиму­ щества: за сравнительно небольшой промежуток времени можно исследовать состояние ионосферы на больших территориях.

§ 5. СТРОЕНИЕ ИОНОСФЕРЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗМЕРЕНИЯ

Экспериментальные методы исследования ионосферы с поверх­ ности Земли, с ИСЗ и ракет позволили установить распределе­ ние концентрации электронов по высоте.

До запусков ракет и ИСЗ представление о строении ионосфе­ ры было составлено на основании анализа высотно-частотных ха­

электронной концентрации, расположенными друг над другом. Измерения со спутников и ракет показали, что эти слои (области) ионосферы разграничены не столь резко и переход от одного слоя к другому происходит монотонно без резкого уменьшения кон­ центрации электронов. Было также установлено, что электрон­ ная концентрация выше максимума слоя F2 до 1000 км убывает более медленно с высотой (рис. 9.7), чем во внутренней ионосфе­ ре. Выше вертикальный градиент концентрации несколько воз­ растает, а с высоты 1500 до 15 000 км электронная концентрация практически постоянна и равна Ю3 эл/см3. От 15 000 до 20 000 км вновь наблюдается значительное убывание концентра­ ции («эффект колена») до величины, характерной для межпла­ нетного пространства (100 частиц в 1 см3).

Основные параметры ионосферных слоев приведены в

табл. 9.2.

В табл. 9.2 приведены средние значения электронной концен­ трации N в ионосферных слоях, не учитывающие ее зависимость от широты места, сезона года, геомагнитной активности и др. Се­ зонные вариации приведены лишь для слоя F2. Слой FI обра­ зуется регулярно только днем при зенитных углах Солнца Zc< 45°, т. е. преимущественно в летнее время. Наиболее четко

он бывает выражен при минимуме солнечной активности, а при максимуме солнечной активности зимой он вообще не наблю­ дается.

189

Критическая частота, соответствующая электронной концен­ трации слоя F2, является критической частотой для всей ионо­ сферы. Ее максимальное значение не превосходит 16 Мгц. Мак­ симальная частота при угле возвышения луча 0° равна 48 Мгц.

190