ЭД / Новая папка (2) / PDF / ЛК 10_ТЭД_и_РРВ_ч_2

ЭД и РРВ (ЛК 10)

СТРОЕНИЕ ИОНОСФЕРЫ

ИРАСПРОСТРАНЕНИЕ В НЕЙ РАДИОВОЛН

∙ионосфера;

∙строение ионосферы;

∙схематическая структура химического состава атмосферы;

∙температура и давление атмосферы;

∙ионизация атмосферы;

∙ионизация атмосферы (слой D);

∙ионизация атмосферы (слой E);

∙ионизация атмосферы (слой F).

ЭД и РРВ (ЛК 10)

Ионосфера

Ионосфера была обнаружена в начале 20 века, когда экспериментальным пу- тём двумя группами ученых: англичанами Е. Эпплтоном и М. Барнетом и американцами Г. Брейтом и М. Тьювом было установлено существование на высотах от 50 км слоя, отражающего радиоволны.

В 30-е годы были начаты систематические наблюдения состояния ионосферы. Сегодня известно, что отражение радиоволн обратно к Земле происходит от ионизированного газа, благодаря чему возможно установление радиосвязи. Волны длиной более 20 м вообще не могут пройти сквозь ионосферу: они от-

ражаются электронными слоями небольшой концентрации в нижней части ионосферы. Средние и короткие радиоволны отражаются вышележащими слоями. Кроме отражения радиоволны испытывают в ионосфере поглощение и преломление.

ЭД и РРВ (ЛК 10) Ионосфера

Ионосферой называют область земной атмо- сферы, расположенную примерно на высоте от 60 до 20 000 км. Она представляет собой ионизированные слои атмосферы. Ионизация атомов и молекул воздуха происходит в ос-

новном под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца. Существуют также и другие источники иони- зации верхних слоев атмосферы, например метеоры, падающие на Землю в большом ко-

личестве. Схема строения атмосферы: 1 — уровень моря; 2 — высшая точка Земли (8848 м); 3 — 7, 14 — облака; 8, 16

—самолёт; 9 — слой максимальной концентрации озона; 10

—перламутровые облака; 11 — стратостат; 12 — радиозонд; 1З — метеоры; 15 — полярные сияния; 17, 18, 19 — радио- волны, отражающиеся от ионизованных слоев и возвра- щающиеся на Землю; 29 — траектория солнечных протонов Р; 30 — ультрафиолетовые лучи.

ЭД и РРВ (ЛК 10) Ионосфера

Одновременно с процессом ионизации происходит противоположный про- цесс — деионизации или рекомбинации. В совокупности эти два процесса яв- ляются причиной непрерывных изменений в ионосфере.

Основное свойство ионосферы заключается в ее способности отражать и рас- сеивать радиоволны. Это свойство используется для распространения радио- волн на большие расстояния.

Строение ионосферы

Химический состав ионосферы. Сухой воздух на уровне моря содержит 78% молекулярного азота, 21% молекулярного кислорода и лишь около 1% легких газов (аргон, неон и др.). Выше 100 км молекулы кислорода и азота под дей- ствием солнечных лучей, обладающих большой энергией, расщепляются на атомы. Кроме того, на высотах более 100 км происходит расслоение атмосфе- ры. Более тяжелые газы, такие как кислород, располагаются в более низких слоях, а менее тяжелые, например азот, в более высоких слоях.

ЭД и РРВ (ЛК 10)

Схематическая структура химического состава атмосферы

ЭД и РРВ (ЛК 10) Температура и давление атмосферы

ЭД и РРВ (ЛК 10) Ионизация атмосферы

В реальной атмосфере ионизация по высоте изменяется по некоторым законам. Экспе- риментально установлено, что ионосфера имеет ступенчатый вид с плавным измене- нием ионизации от ступеньки к ступеньке. Различают четыре области ионизации (в за-

висимости от насыщенности свободными зарядами единицы объема пространства), называемые слоями D , E , F1, F2 .

ЭД и РРВ (ЛК 10) Ионизация атмосферы (слой D)

Самый нижний из ионосферных слоев — слой D — 60 и 90 км над поверхно- стью Земли. Ионизация воздуха в слое D выражена слабо. В основе иониза- ции слоя D лежит излучение водорода серии «Лайман-альфа» с длиной волны 121,5 нанометра и оксида азота (NO). При высокой активности Солнца иони- зируются также N2 и O2. Максимальная плотность заряженных частиц состав-

ляет 102 — 103 эл/см3.

Ионизация вызвана рентгеновским излучением Солнца. Небольшой вклад вносят сгорающие на этих высотах в атмосфере метеориты, космические лучи и частицы земной магнитосферы.

Слой D непостоянен. Максимальная степень ионизации воздуха приходится на светлое время суток, когда излучение Солнца максимально. В полярных

регионах Земли ионизация слоя D может достигать необычайно высокого уровня. Подобные события в нижней ионосфере получили название «поляр-

ная шапка поглощения».

ЭД и РРВ (ЛК 10) Ионизация атмосферы (слой E)

Второй слой ионосферы — слой E — 90 и 120 км над поверхностью Земли. Ионизация воздуха в слое E вызвана той же причиной, что и ионизация воз- духа слоя D: коротковолновым или рентгеновским излучением Солнца, а также длинноволновым ультрафиолетовым излучением. Плотность плазмы здесь 105 эл/см3. В тёмное время суток степень ионизации воздуха значитель- но сокращается до 103 эл/см3. Ниже 103 эл/см3 ионизация не снижается бла- годаря постоянной диффузии (перемещению) заряженных частиц из вышеле- жащей области F.

На высотах 100 —110 км иногда возникают обширные прослойки или облака с повышенной степенью ионизации, площадью до сотен квадратных километ- ров. Это т.н. слой Es. Для этого слоя характерна высокая концентрация элек- тронов (105 эл/см3). Электронные облака слоя Es могут перемещаться под воздействием атмосферных процессов со скоростями до 250 км/час.

Слои E и Es оказывают значительное влияние на распространение средних и коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы.

ЭД и РРВ (ЛК 10) Ионизация атмосферы (слой F)

Самым верхним слоем ионосферы является слой F. В настоящее время этим слоем называют всю ионосферу, лежащую выше 130 — 140 км. В этом слое на высотах 150 — 200 км наблюдается максимальная степень ионизации воз- духа в пределах всей земной атмосферы. Однако, в результате диффузии за-

ряженные частицы из этой области проникают на значительные расстояния вверх и вниз.

Состоит слой F из атомарного кислорода, протонов водорода и ионов гелия, образующихся под воздействием солнечной радиации.

Ночью практически все заряженные частицы сосредоточены на высотах 300

— 400 км в т.н. слое F2, ионизация в котором идет также под воздействием космических лучей, метеоров и т.д. Лежащий много ниже — на высотах до 250 км — слой заряженных частиц, носящий название F1, ночью исчезает. Таким образом, в тёмное время суток в пределах ионосферного слоя F суще- ствует лишь одна область с плотностью заряженных частиц, доходящей до 105 —106 эл/см3, в светлое же время суток таких областей отмечается две.