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.

Слои ионосферы Земли 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.

дипломы,курсовые,рефераты,контрольные,диссертации,отчеты на заказ
return_links(); ?>
Яндекс.Метрика