Ионосфера Земли

На высотах 50-1000 км над поверхностью Земли в пределах атмосферных слоев мезосфера, термосфера и экзосфера, под воздействием космических лучей, в-первую очередь ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, происходит ионизация воздуха — эндотермический процесс образования ионов из нейтральных атомов или молекул. Эта часть атмосферы носит название ионосфера. Область атмосферы, лежащая ниже ионосферы носит название нейтросферы, т.к. содержание положительно и отрицательно заряженных частиц в ней равно.

Ионосфера представляет собой смесь газа из нейтральных атомов и молекул с квазинейтральной плазмой, в которой число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных. Число заряженных частиц: атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов на один кубический сантиметр воздуха составляет в среднем 10¹⁵-10¹⁶.

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. Слой этот, получивший название "слой Хевисайда-Кеннелли" известен нам как слой E ионосферы.

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

От степени ионизации окружающего воздуха зависит электропроводность атмосферы. Поэтому в ионосфере электропроводность воздуха в 10¹² раз больше, чем у земной поверхности.

рис.1 Слои ионосферы. Credit: gect.ru

Ионосфера не однородна: в ней выделяются 3 слоя с максимальной ионизацией: D, E и F. Но и в промежутках между этими слоями степень ионизации атмосферы остаётся очень высокой. Часто возникают обширные спорадические скопления электронов, которые носят название электронных облаков.

Самый нижний из ионосферных слоев — слой D. Его границы лежат между 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 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 в результате солнечных протонных событий (выбросы протонов, испускаемых Солнцем, ускоренных до очень высоких энергий либо во время солнечных вспышек либо потрясений, связанных с выбросами корональной массы) ионизация слоя D может достигать необычайно высокого уровня. Подобные события в нижней ионосфере получили название «полярная шапка поглощения». В это время на срок от 24 до 48 часов происходит значительное улучшение поглощения радиосигналов, посылаемых над полярными регионами, что способствует покрытию радиовещанием огромных площадей.

В тёмное время суток остаточная ионизация слоя связана с воздействием галактических космических лучей. Иногда ионизация и вовсе прекращается.

Второй слой ионосферы — Слой E. Нижняя граница слоя E проводится по верхней границе нижележащего слоя D. Верхняя — на высоте 120 км.

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 выше: до 10⁵ см³, но в тёмное время суток степень ионизации воздуха значительно сокращается, оставаясь все же достаточной ля отражения радиоволн. Рекомбинация ионов (процесс обратный ионизации) в слое E идет очень быстро, поэтому ночью плотность ионов может снижаться до 10³ см³. Ниже этого уровня 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 Es или спорадический E. Для этого слоя характерна высокая концентрации электронов (ne~10⁵ см³). Толщина и длительность существования слоя незначительны, однако в районе экватора он присутствует почти постоянно, в средних широтах летом отмечается с редкими перерывами каждый день, в высоких же широтах появляется нерегулярно ночью.

Электронные облака слоя Es могут перемещаться под воздействием атмосферных приливов со скоростями до 250 км/час.

Слои E и Es оказывают значительное влияние на распространение средних и коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы. При определенных условиях отражаются даже радиоволны с частотами в 50 МГц.

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 см³, в светлое же время суток таких областей отмечается две.

В пределах верхнего ионосферного слоя происходят такие интересные явления как полярные сияния и свечение ночного неба, а также резкие колебания магнитного поля — ионосферные магнитные бури. Все 3 явления зависят от действия солнечного ветра и поэтому испытывают существенные колебания.