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

ЭД и РРВ (ЛК 10)

СТРОЕНИЕ ИОНОСФЕРЫ

И РАСПРОСТРАНЕНИЕ 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).

Ионосфера

Ионосфера была обнаружена в начале 20 века, когда экспериментальным путём 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 отражаются электронными слоями небольшой концентрации в нижней части ионосферы. Средние и короткие радиоволны отражаются вышележащими слоями. Кроме отражения радиоволны испытывают в ионосфере поглощение и преломление.

Ионосфера

Ионосферой называют область земной атмосферы, расположен­ную примерно на высоте от 60 до 20 000 км. Она представляет собой ионизированные слои атмосферы. Ионизация атомов и молекул воз­духа происходит в основном под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца.

Существуют также и другие источники ионизации верхних слоев атмосферы, например метеоры, падающие на Землю в большом количестве. 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 — радиоволны, отражающиеся от ионизованных слоев и возвращающиеся на Землю; 29 — траектория солнечных протонов Р; 30 — ультрафиолетовые лучи.

Ионосфера

Одновременно с процессом ионизации происходит противо­положный процесс — деионизации или рекомбинации. В совокуп­ности эти два процесса являются причиной непрерывных изменений в ионосфере.

Основное свойство ионосферы заключается в ее способности отражать и рассеивать радиоволны. Это свойство используется для распространения радиоволн 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 действием сол­нечных лучей, обладающих большой энергией, расщепляются на атомы. Кроме того, на высотах более 100 км происходит рас­слоение атмосферы. Более тяжелые газы, такие как кислород, рас­полагаются в более низких слоях, а менее тяжелые, например азот, в более высоких слоях.

Схематическая структура химического состава атмо­сферы

Температура и давление атмо­сферы

Ионизация атмосферы

В реаль­ной атмосфере ионизация по высоте изменяется по некоторым законам. Экспериментально установлено, что ионосфера имеет ступенчатый вид с плавным изменением ионизации от ступеньки к ступеньке. Различают четыре области ионизации (в зависимости от насыщенности свободными зарядами единицы объема пространства), называемые слоями , , , .

Ионизация атмосферы (слой D)

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

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 воздуха 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 значительно сокращается до 103 эл/см³. Ниже 103 эл/см³ ионизация не снижается благодаря постоянной диффузии (перемещению) заряженных частиц из вышележащей области F.

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

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

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 воздуха в пределах всей земной атмосферы. Однако, в результате диффузии заряженные 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 существует лишь одна область с плотностью заряженных частиц, доходящей до 105 —106 эл/см³, в светлое же время суток таких областей отмечается две.