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

Таким образом, радиоволны с / > 48 Мгц никогда не отражаются от ионосферы, а с / < 16 Мгц отражаются от нее при отсутствии ионосферных возмущений.

Рассмотрим кратко отдельные характеристики ионосферных слоев.

Сл о й D существует только днем, что обусловлено большой величиной коэффициента рекомбинации ионов и электронов на высоте этого слоя. Считают, что образуется он в верхней части

врезультате ионизации молекул N0 коротковолновой радиацией,

ав нижней части — ионизацией молекул 0 2 и N2 первичными космическими лучами. Значительное увеличение ионизации слоя D происходит после мощных солнечных вспышек, когда резко

усиливается интенсивность рентгеновского излучения. Этот слой отражает длинные радиоволны и является основной поглощаю­ щей областью средних и коротких волн.

Слой Е существует круглосуточно и возникает в результате

которые могут перемещаться со скоростью 150—250 км/ч. Слой Е s обычно существует несколько часов. В некоторых случаях

он может отражать даже радиоволны ультракороткого диапа­ зона, что приводит к возможности приема дальних телевизион­ ных станций.

О б л а с т ь F характеризуется основным максимумом элек­ тронной концентрации в ионосфере и отражает короткие радио­ волны. Существует она в основном за счет ионизации атомного кислорода. В пределах 45° от подсолнечной точки (лето, день) эта область разделяется на два слоя: FI и F2.

Сл о й FI по своим свойствам похож на слой Е. Максимум ионизации в нем наблюдается ровно в полдень.

Сл о й F2 отличается значительными особенностями. Высота его максимума и электронная концентрация подвержены значи­ тельным колебаниям. Считают, что большую роль в изменении свойств этого слоя играют процессы нагревания атмосферы, вы­ зывающие расширение ионизированного слоя и понижение элек­

тронной концентрации.

На распределение электронов и ионов в слое F влияет также диффузия. Положение максимума слоя F2 днем определяется уровнем фотохимического равновесия, а ночью — равновесием между нейтрализацией и диффузией.

191

Ионизация в слое F2 вызывается как коротковолновым, так и корпускулярным излучением Солнца, на траекторию частиц ко­ торого влияет геомагнитное поле.

Выше максимума слоя F2 расположена внешняя ионосфера, которая стала доступна для прямых исследований только в ре­ зультате применения геофизических ракет и ИСЗ.

В этой области ионосферы пока не обнаружено никаких мак­ симумов, электронная концентрация монотонно убывает с высо­ той. На структуру внешней ионосферы существенное влияние оказывает магнитное поле Земли. В связи с этим в данной обла­ сти ионосферы вместо широтной симметрии наблюдается сим­ метрия относительного магнитного экватора, а линии равной электронной концентрации вытягиваются вдоль магнитных сило­ вых линий (М. Г. Крошкин, 1969).

§ 6. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИОНОСФЕРЫ

Электронная концентрация, действующие высоты и критиче­ ские частоты ионосферных слоев претерпевают значительные ко­ лебания в зависимости от времени суток, сезона года, широты места и солнечной активности.

Суточные изменения. Суточный ход критических частот, а сле­ довательно, и максимума концентрации электронов слоев Е и FI примерно следует за изменением высоты Солнца. Максимальное значение критическая частота имеет в полдень (рис. 9.8). Кривые же суточного хода для слоя F2 имеют два ярко выраженных ти­ па: летний и зимний. Зимой имеет место высокий максимум кри­ тической частоты, несколько запаздывающий относительно по­ лудня, и глубокий минимум в предрассветные часы. Летняя кривая суточного хода более сглажена. Она имеет два не резко выраженных максимума — в предполуденные и предвечерние часы, но более низких, чем зимний максимум.

Действующие высоты слоя /Л летом и слоя F2 зимой имеют заметный минимум в полдень. На рис. 9.9 изображено ориенти­ ровочное распределение концентрации электронов по высоте для дня и ночи.

Сезонный ход. Критические частоты слоев Е и /Л в летние ме­ сяцы больше, чем зимой и осенью. Критическая же частота слоя F2 в течение года имеет два максимальных значения — в начале и в конце зимы.

На рис. 9.10 показано усредненное распределение концентра­ ции электронов по высоте летом и зимой. В зимнее время в слое F2 максимальная концентрация электронов больше и распола­ гается ниже, чем летом.

Широтный ход. Изменения критических частот слоев Е и /Л по широте следуют за изменением высоты Солнца.

192

По экспериментальным данным, критическая частота слоя F2 наиболее просто связана с магнитным наклонением. В области магнитного экватора f Kp слоя F2 имеет минимум. С возрастани­ ем магнитного наклонения к северу и югу / кр слоя F2 возрастает и при магнитном наклонении 28—38° достигает максимума. При дальнейшем возрастании магнитного наклонения / яр слоя F2 уменьшается.

Часы

Рис. 9.8. Суточный ход критических частот и дей­ ствующих высот

Влияние солнечной активности. В течение 11-летнего цикла солнечной активности установлена прямая корреляционная связь между среднегодовым относительным числом солнечных пятен и величиной концентрации электронов в ионосфере.

Существует ярко выраженная реакция области F на измене­ ние солнечной активности ото дня ко дню. При повышении ин­ тенсивности солнечного радиоизлучения на X= 10,7 см высота максимума слоя F2 возрастает, а сам максимум становится бо­ лее пологим. Этот эффект в ионосфере связан с вариациями плотности нейтральной атмосферы в области F.

Под воздействием нерегулярных изменений солнечной актив­ ности происходят ионосферные возмущения, которые приводят

Рис. 9.9. Ориентировочное распределение концентрации электронов в ионосфере для дня и ночи

к значительным изменениям параметров ионосферы и наруше­ ниям радиосвязи на коротких волнах.

Рис. 9.10. Усредненное распределение концентра­ ции электронов по высоте:

а) лето; б) зима

§ 7. И О Н О СФ ЕРН Ы Е ВО ЗМ УЩ ЕН И Я

Изменения состояния ионосферы управляются деятельностью Солнца. Под воздействием процессов на Солнце возникают ионо­ сферные возмущения, которые могут охватывать отдельные ионо­ сферные слои или всю ионосферу в целом.

194

Ионосферные возмущения в нижней ионосфере (слои D и Е)

полушарии Земли продолжительностью от нескольких минут до 1 ч. Такой эффект вызван увеличением ионизации в слое D (иногда в слое Е) в результате возрастания интенсивности ко­ ротковолнового излучения во время солнечной вспышки. Начало поглощения радиоволн совпадает по времени с началом вспыш­ ки. При таких ионосферных возмущениях улучшается связь на

поглощение радиоволн, связанное с активными полярными сия­ ниями и магнитными возмущениями. Оно наблюдается в основ­ ном ночью и может продолжаться несколько часов. Причина воз­ никновения поглощения — увеличение частоты столкновения электронов в верхней части слоя D (нижней части слоя Е) из-за увеличения концентрации электронов или увеличения электрон­ ной температуры.

областях через несколько часов после начала интенсивной сол­ нечной вспышки продолжительностью до 2—3 дней и более. ППШ наблюдаются на широтах выше зоны полярных сияний од­ новременно в обоих полушарийх. Но моменты начала, интенсив­ ности и продолжительности ППШ могут существенно отличаться из-за различных условий освещенности. Величина поглощения днем гораздо больше, чем ночью.

Основной причиной ППШ является увеличение ионизации в нижней части ионосферы (слой D), обусловленное потоком энер­ гичных протонов — солнечных космических лучей.

Количество ППШ хорошо коррелирует с частотой появления интенсивных солнечных вспышек. Максимальное число случаев ППШ наблюдается в период осеннего равноденствия, минималь­ ное — перед весенним равноденствием, суточный максимум на­ блюдается около полуночи.

Рассмотренные выше ионосферные возмущения обусловливают сложную структуру слоя D и ее большую временную изменчи­ вость. На рис. 9.11 показаны профили электронной концентрации при различных типах аномальных поглощений. Кривые на рисун­ ке обозначают: 1 — спокойное Солнце; 2 — слабое поглощение в зоне полярных сияний; 3 — внезапное ионосферное возмуще­

ние; 4 — сильное поглощение в золе полярных сияний; 5 — по­ глощение в полярной шашке.

Ионосферные возмущения происходят и в области F ионо­ сферы.

При прохождении больших групп солнечных пятен через цент­ ральный иеридиан Солнца усиливается воздействие солнечного корпускулярного излучения на атмосферу Земли, т. е. происходят ее ионизация и нагревание. Расширение ионосферы в результате нагревания приводит к уменьшению электронной концентрации в слое F2. При преобладании процесса ионизации электронная плотность возрастает, а в соответствии с изменениями электрон­ ной концентрации изменяется и критическая частота слоя F2.

Различают три типа ионосферных возмущений в слое F2:

в течение нескольких часов происходит повышение f Kp слоя F2, а затем наступает значительное ее понижение (Дf KP— 40-е80%), которое продолжается не­ сколько суток; возмуще­ ние второго типа отли­ чается от возмущения

даются возмущениями в магнитном поле Земли.

Наиболее интенсивные ионосферные возмущения называют

ионосферными или ионосферно-магнитными бурями. Начало и тип ионосферного возмущения определяются местным солнечным временем начала главной фазы магнитной бури.

Ионосферные бури сопровождаются ухудшением или полным

1 %

ГЛАВА X

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

Земля, а также некоторые другие небесные тела, имеют соб­ ственные магнитные поля. Магнитные поля имеются у Солнца (см. гл. I), Юпитера, Сатурна и у некоторых звезд, а также в межпланетном пространстве. Непосредственные измерения с по­ мощью космических ракет показали, что Луна, Марс и Венера интенсивных полей не имеют.

О существовании магнитного поля Земли человек знал с дав­ них времен. Но лишь только после того, как в конце XV в. в Ев­ ропе стали известны факты об отклонении магнитной стрелки от географического меридиана и изменении величины этого откло­ нения от места к месту, начали производиться измерения элемен­ тов магнитного поля Земли, которые послужили началом раз­ вития одного из разделов геофизики, называемого земным маг­ нетизмом.

До недавнего времени учение о земном магнетизме базиро­ валось на наблюдениях у земной поверхности и на сравнительно небольших высотах в атмосфере. Применение для его непосред­ ственных измерений геофизических и космических ракет, ИСЗ впервые позволило исследовать магнитные поля в отдельных ок­ рестностях Земли. Было положено начало науке о космическом магнетизме, которая в настоящее время стремительно разви­ вается.

По мере развития учения о земном магнетизме возрастало его практическое применение. Явления земного магнетизма все шире используются в различных областях науки и техники, в том числе в геологоразведке, в морской, воздушной навигации, при изуче­ нии геофизических процессов в верхней атмосфере.

Геомагнитное поле играет очень большую роль в физических процессах, происходящих в верхней атмосфере и ближнем кос­ мосе.

198

С магнитным полем Земли непосредственно связаны такие геофизические явления, как полярные сияния, магнитные бури, ионосферные возмущения и радиационный пояс Земли.

§ 1. ЭЛ ЕМ ЕН Т Ы М АГНИ ТН ОГО ПОЛЯ ЗЕМ Л И И ИХ Р А С П Р ЕД ЕЛ ЕН И Е

Состояние магнитного поля Земли в любой точке простран­ ства характеризуется вектором напряженности магнитного поля

СОДля изучения распределения магнитного поля и его измене­

ния во времени по земной поверхности и в пространстве вектор/7 разлагают на его составляющие в прямоугольной системе коор­ динат, начало координат которой помещают в точке наблюдения (рис. 10.1). Ось х направлена по географическому меридиану на север, ось у — по параллели на восток, ось z — по вертикали вниз (в надир). Вектор напряженности магнитного поля, его со­ ставляющие и углы между ними называют элементами магнит­ ного поля Земли.

К ним относятся:

F — полная напряженность магнитного поля;

Я— горизонтальная состав­ ляющая напряженно­ сти магнитного поля

(проекция вектора F на плоскость XOY)\

Z — вертикальная составля­ ющая напряженности магнитного поля (поло­

D — магнитное склонение —

ние — угол между век­

тором F и горизонтальной плоскостью XOY (положите­ лен в направлении надира).

199

Между элементами магнитного поля имеют место следующие соотношения:

Для того чтобы определить вектор /\ можно взять любую комбинацию трех независимых элементов магнитного поля, на­ пример

H ,I,D ; tf,Z,D ; *, У, Z.

На практике принято проводить измерения Н, Z я D, которые и принимаются за основные характеристики магнитного поля Зем­ ли. F, Н, X, У, Z измеряются в эрстедах (э) или в гауссах (гс).

Вфизике принято напряженность магнитного поля измерять

вэрстедах, а магнитную индукцию — в гауссах. Но поскольку магнитная проницаемость воздуха равна единице, то разницы

между величинами напряженности магнитного поля и магнитной индукции в атмосфере нет. В работах по геомагнетизму в честь Гаусса, который много сделал для его исследования, напряжен­ ность магнитного поля Земли также часто выражают в гауссах.

Для изучения временных вариаций магнитных элементов и магнитного поля в космическом пространстве используют мень­ шую единицу — гамму (т):

ся в угловых градусах и минутах.

Для наблюдения вариаций элементов магнитного поля Зем­ ли служат специальные самопишущие приборы (магнитографы), регистрирующие величины Н, Z, D.

На земном шаре существует сеть магнитных обсерваторий, которые непрерывно ведут наблюдения за геомагнитным полем. Кроме того, для получения данных о распределении магнитного поля по земной поверхности периодически производят магнитные съемки с использованием наземных, морских и воздушных средств, а в последнее время и космических средств.

Для представления результатов магнитной съемки строят маг­ нитные карты, на которые наносят изолинии элементов магнит­ ного поля. Изолинии магнитного склонения называются изогона­

200