ИОНОСФЕРА

Автор: 19.05.2010

ionosfera1 350x286 ИОНОСФЕРА

ИОНОСФЕРА

ИОНОСФЕРА — верхняя часть атмосферы, начиная от высоты, где появляется заметное содержание свободных заряженных частиц — электронов и ионов. Источник, ионизирующий И., — УФ, а также рентгеновское излучения Солнца. Большую роль в процессах ионизации И. играют также потоки частиц, вторгающиеся в атмосферу Земли из околоземного космич. пространства. Днем основание И. лежит на высоте 50—60 км, ночью—на высоте 80—85 км. Верхнюю границу И., по совр. представлениям, можно отнести к высотам порядка 18—25 тыс. км. Выше постепенно исчезает влияние Земли на ее газовую оболочку. И. постепенно переходит в межпланетную плазму, к-рая находится в свободном состоянии примерно от высоты 70—80 тыс. км от Земли.  И. рассматривается обычно как квазинейтральная плазма, т. е. принимается, что содержание в ней электронов и ионов одинаково. Достаточно определ. данных об отклонении плазмы И. от нейтральной до наст, времени еще не имеется, поэтому осн. величина, к-рой характеризуется И., — электронная концентрация N эл-см 3, изменяющаяся с высотой Z. Электронная концентрация зависит также от широты и долготы, т. е. имеет географич. распределение, она изменяется непрерывно со временем — имеет суточный ход, в свою очередь зависящий от времени года и цикла солнечной активности. Наряду с этими медленными изменениями И. наблюдаются быстрые вариации электронной концентрации как со временем, так и от точки к точке; в ней непрерывно возникают и исчезают неоднородные ионизированные образования разл. размеров, к-рые перемещаются с разл. скоростями (см. Ветры в ионосфере). Поведение И. описывается часто с помощью ср. статистич. характеристик. Зависимость электронной концентрации от высоты А (Z) имеет в среднем след. особенности: начиная от основания И., электронная концентрация в общем возрастает и достигает на высотах ZM я» =5=250—400 км макс, значения электронной концентрации NM, к-рое в разл. условиях изменяется примерно в пределах 2 • 106 -f 5 X X 106 эл — см.3; это и есть главный максимум И., он именуется часто максимумом слоя, или области F2 и обозначается как NMF2. Часть И., лежащая ниже высоты главного максимума N MF2, есть нижняя часть И.; часть П., лежащая выше высоты Z,v, — внешняя часть И. В литературе иногда используются различные назв. в н е ш ней И.: протосфера, протоиосфера, экзосфера, магнитосфера, плазмосфера, геокорона. Общая зависимость электронной концентрации от высоты в нижней и внешней частях И. изображена на рис. 1.

ionosfera2 350x285 ИОНОСФЕРА

ИОНОСФЕРА

Нижняя часть И., в спою очередь, разделяется на неск. областей. Область высот от 50—00 км до 80—85 км, где И. существует только днем, именуется областью, или слоем D; здесь электронная концентрация достигает макс, значений (2—5) • 103 эл-см~3. В области D в ряде случаев наблюдаются слабо выраженные максимумы N на высотах в 65—75 км. Область D — многокомпонентная часть атмосферы; она состоит гл. обр. из ионизированных молекул кислорода (02) и окиси азота (NO+). Поэтому процессы ионизации и рекомбинации здесь более сложны, чем в др. частях И. В области D, где концентрация нейтральных частиц п изменяется примерно в пределах 2 (1010—1014) см 3, степень ионизации еще очень невелика (n/N ~ 1011—1013). Число столкновений электронов с др. частицами v сек 1 в слое D велико, ~ 108—10е сек'1; поэтому здесь сильно поглощаются отражающиеся от И. средние и короткие радиоволны (см. Отражение радиоволн). Для длинных же и особенно сверхдлинных радиоволн область D является отражающей стенкой и образует вместе с земной поверхностью сферический волновод, в к-ром они хорошо распространяются около земной поверхности.

Выше области В в И, регулярно образуется устойчивый максимум электронной концентрации на высотах 100—110 км; эта область П., высотой 90—120 км, есть т. н. слой Е, где электронная концентрация достигает в максимуме значения NM я= (1—3) • 105 эл -смГ3. На этих же высотах время от времени образуется резко выраженный спора-дич. слой Е толщиной лишь в 1—2 км, в к-ром электронная концентрация достигает (7—8) -10б эл-см'3 и даже 10е эл-см'3. Область Е состоит гл. обр. из ионизированных молекул кислорода (О.1,) и окиси азота (NO+). Выше области Е И. именуется областью F; здесь временами, преим. днем, образуется, кроме главного максимума NMFit максимум N на высотах 180—200 км. Поэтому область F И. разделяют на слои Fl и F2, причем в разл. условиях NMFX «а ; (2—&)А№эл-см Область F состоит гл. обр. из ионизированных атомов (0+) и молекул (0\) кислорода. Суточная и сезонная зависимость электронной концентрации на разл. уровнях в нижней части И. и в области ее главного максимума иллюстрируется рис. 2 и 3.

ionosfera3 350x239 ИОНОСФЕРА

ИОНОСФЕРА

Во внешней части И. при Z я= 300—400 км преобладают первоначально ионизированные атомы кислорода (Oh); кроме того, имеются ионизированные атомы азота (N) и появляются ионизированный гелий (Не) и ионы водорода — протоны (Н1). Дальнейшее изменение состава И. с высотой происходит таким образом, что постепенно уменьшается количество кислорода; количество азота и гелия остается малым, однако быстро увеличивается содержание протонов. Выше 1200—1400 км, по совр. данным, И. состоит в основном из протонов, относит, же количество ионизированного гелия составляет примерно (1—2) • 10"2. Во внешней И. электронная концентрация убывает медленно и монотонно с высотой (см. рис. 1); при Z 1000 км электронная концентрация еще достаточно велика: N (5—10) 104 ал • см 3, на высоте Z к* 10 000 км N  к= (1 —2)  103 эл-см 3. При Z ==к (15—20) тыс. км, по разл. данным, электронная концентрация время от времени сильно падает (см. Атмосферики свистящие) и в общем колеблется от неск. сот до 10—20 эл-см3. В области главного максимума И. степень ионизации плазмы невелика: земная плазма еще достаточно слаба, концентрация нейтральных частиц превышает концентрацию электронов еще в неск. сот и даже тысяч раз (n/N ~~ 2 • 103—2 • 10-). Однако выше относительное содержание электронов быстро возрастает, на высоте 1200—1400 км п  N, и с дальнейшим ростом высоты относит, количество нейтральных частиц, уменьшаясь, составляет при Z 10 000 км лишь одну десятую и меньше (n/N =0,1—0,05). При Z ~ 10 000 — 20 000 км п — 50 с.\Г3.

Важной фнзич. величиной, характеризующей состояние И., является темп-pa Т различных частиц; она определяет ср. тепловые скорости частиц и вместе с тем является энергетич. мерой приземной плазмы. Ср. тепловая скорость ионов vt, со своей стороны, определяет скорость ионно-звуковых волн в И. и показывает, в каких областях И. скорость космич. тела V0 (КЛА) больше, соизмерима или меньше Р{. От отношения V0/vi существенно зависит взаимодействие КЛА с разреженной плазмой, как и от длины свободного пробега частицы А, характеризующей степень разреженности плазмы. Значения всех этих величин сведены в табл. для нек-рых фиксированных высот И. (с. 154—55). Из табл. видно, что в среднем темп-pa И. быстро возрастает с высотой: у основания И. Т° ~ 300° К, в области главного максимума Т° ~ 1000°—2000° К, т. е. энергия частицы составляет примерно 0,1—0,2 эв. Установлено, однако, что на высотах в 250—700 км темп-pa электронов может превышать темн-ру ионов в 2—4 раза. На высоте 1000—1500 км Г°~ 3000° К. Продолжая увеличиваться с высотой, энергия частицы достигает примерно римент. исследованиях И., в последние годы используются разл. виды исследования свойств И. с помощью ИСЗ и ракет. Они существенно расширили и углубили изучение свойств и структуры И.