Ионосфера. Образование и строение

Ионосферой принято называть область атмосферы, расположенную на высотах, превышающих 60 км. Характерной особенностью данной области является наличие, наряду с нейтральными частицами (молекулами, атомами) газа, также свободных электронов, положительных и отрицательных ионов, образующихся в результате ионизации газов.

Процесс ионизации заключается в отрывании одного или нескольких электронов из наружной оболочки атома или молекулы. Энергия, необходимая для совершения работы выхода электрона с орбиты (или ионизации), поступает главным образом от Солнца (до 99%) в виде электромагнитного излучения и потока заряженных частиц, именуемого иногда солнечным ветром. Помимо Солнца, ионизацию иногда вызывают также излучение звезд, космические лучи и метеоры. Под действием излучения Солнца в атмосфере Земли имеет место два вида ионизации: фотоионизация и ударная ионизация.

Фотоионизация атмосферы происходит под воздействием электромагнитного излучения с длиной волны мкм, т.е., за счет ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Ударная ионизация возникает при столкновении корпускулярных частиц с молекулами или атомами газа. Частицы с массой электрона способны ионизировать газ атмосферы Земли при скорости км/с. Ударная ионизация, из-за влияния постоянного магнитного поля Земли, дает заметный вклад преимущественно в полярных районах земного шара. Одновременно с ионизацией происходит рекомбинация электрона с положительными нонами в нейтральную молекулу или атом и «прилипание» электронов к нейтральным частицам.

Таким образом, в ионосфере одновременно существуют свободные электроны, положительные и отрицательные ноны, причем количество положительных и отрицательных зарядов одинаково, и в целом ионосфера является квазинейтральной. Подобное состояние газов называется плазмой.

Определяющее влияние на распространение радиоволн оказывают наиболее легкие и подвижные из заряженных частиц — электроны, концентрация (плотность) которых определяется числом электронов в единице объема и характеризует состояние и строение ионосферы.

Уравнение состояния ионизированного газа имеет вид

где — электронная концентрация (электронная плотность) ионизированного газа; — коэффициент рекомбинации, равный вероятности исчезновения электронно-ионных пар в единице объема за единицу времени.

В состоянии динамического равновесия процессов рекомбинации и ионизации ( ) электронная концентрация ионосферы равна

.

где — интенсивность ионизации, равная числу образующихся электронно-ионных пар в единице объема за единицу времени.

После прекращения действия источника ионизации электронная концентрация ионосферы уменьшается по гиперболическому закону

где — электронная концентрация в момент прекращения действия источника ионизации. Данное выражение объясняет, почему с заходом Солнца электронная концентрация уменьшается не сразу, а более или менее постепенно.

В идеализированном случае, если предположить, что атмосфера имеет однородный состав, ее температура с высотой не меняется, давление изменяется равномерно, то распределение электронной концентрации в зависимости от высоты имеет один максимум (рисунок 16). Такое распределение называется простым слоем (слоем Крючкова-Чепмена). Образование простого слоя обусловлено тем, что интенсивность ионизирующего излучения уменьшается с приближением к поверхности Земли, а плотность нейтральных частиц изменяется в обратном направлении. Максимум возникает на той высоте, где ионизирующее излучение еще не сильно ослаблено, а плотность нейтральных частиц еще не очень мала.

Рисунок 16 − Образование простого слоя ионизации

Реальная атмосфера является крайне неоднородной как по составу газов, так и по температуре, газовый состав и температура меняются вместе с высотой. Все это совместно с различной энергией ионизации для различных высот приводит к появлению вместо одного нескольких максимумов электронной концентрации. Поэтому распределение по высоте электронной концентрации в атмосфере имеет более сложный характер. Экспериментально установлено, что распределение электронной концентрации по высоте имеет вид ступенчатой кривой с относительно плавным изменением концентрации от ступеньки к ступеньке (рис. 9.4). Максимумы электронной концентрации обычно отождествляют с положением отдельных областей или «слоев» ионосферы. Характеристики основных параметров слоев ионосферы представлены в таблице 2.

Таблица 2 − Параметры ионосферных слоев

Параметры слоев	Ионосферные слои
Высота слоя , км	60−90	100−140	170−240	230−400
Полутолщина слоя , км	−	15−20	20−100	50−200
Электронная концентрация , эл/куб. м.	108−109	109−2∙1011	2∙1011−4,5∙1011	2∙1011−2∙1012

Рисунок 17 − Распределение электронной концентрации в ионосфере

Слой − самый нижний слой ионосферы. Располагается на высоте 60—90 км. Электронная плотность не превышает эл/м³. Слой появляется только в дневное время. В ночное время ионизация на этих высотах исчезает и в результате процесса ионизации слой прекращает свое существование. Летом электронная плотность слоя выше, чем зимой.

Слой — первый слой, обнаруженный исследователями. Нижняя граница слоя расположена на высоте 100 км, полутолщина слоя составляет 15—20 км. Электронная концентрация достигает максимума днем эл/м³ и изменяется вслед за изменением зенитного угла Солнца. В ночные часы электронная плотность остается на постоянном уровне и составляет эл/м³. Причина ночной ионизации до сих пор не установлена. Предполагают, что она вызывается частично метеорами, частично «прилипанием» электронов к нейтральным молекулам.

Слой располагается на высоте 170— 240 км. Электронная плотность слоя составляет эл/м³. Слой существует только днем и преимущественно летом.

Слой существует всегда, днем и ночью, летом и зимой, весной и осенью. Его высота составляет 230—400 км от поверхности Земли. Электронная концентрация колеблется от до эл/м³, подвержена сильным изменениям и даже в спокойные дни и в один и тот же час суток электронная плотность существенно отклоняется от среднего значения.

Ионизация слоя изменяется по широте и долготе, а также наблюдается годовое изменения ионизации слоя для всего земного шара: в зимнее время обычно ионизация в северном полушарии выше, чем летом. Слой является основным слоем, отражающим короткие волны, и имеет очень большое практическое значение для радиосвязи.

Помимо суточных и сезонных изменений состояния ионосферы наблюдаются изменения ионосферы, связанные с 11-летним циклом солнечной активности. Критерием солнечной активности является число Вольфа . Число Вольфа — это число, равное сумме пятен, наблюдаемых на Солнце и удесятеренного числа групп пятен

,

где — число пятен на Солнце; — число групп, в которые объединены пятна.

При Солнце спокойно. При Солнце считается активным. В годы высокой солнечной активности ионизация атмосферы Земли резко изменяется и носит крайне нерегулярный характер. Это приводит к частым нарушениям коротковолновой связи.