Ионосфера

Ионосфера - верхняя часть атмосферы Земли, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, сильно ионизирующаяся вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца.

Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N2 и кислорода О2) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли.

Основной источник ионизации земной атмосферы – ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, возникающее главным образом в солнечной хромосфере и короне. Кроме того, на степень ионизации верхней атмосферы влияют солнечные корпускулярные потоки, возникающие во время вспышек на Солнце, а также космические лучи и метеоритные частицы.

Ионосферные слои – это области в атмосфере, в которых достигает максимального значения концентрация свободных электронов (т.е. их число в единице объема). Электрически заряженные свободные электроны и в меньшей степени менее подвижные ионы, возникающие в результате ионизации атомов атмосферных газов, взаимодействуя с радиоволнами (т.е. с электромагнитными колебаниями), могут изменять их направление, отражая или преломляя их, и поглощать их энергию. В результате этого при приеме далеких радиостанций могут возникать различные эффекты, например, замирание радиосвязи, усиление слышимости удаленных станций, блекауты и т.п. явления.

Рисунок 12 - Ионограмма ионосферы -зависимость плотности плазмы от высоты над

поверхностью Земли

В зависимости от плотности заряженных частиц N в ионосфере выделяются слои D, Е и F.

Слой D. В области D (60—90 км) концентрация заряженных частиц составляет Nmax~ 10²—10³ см−3 — это область слабой ионизации. Основной вклад в ионизацию этой области вносит рентгеновское излучение Солнца. Также небольшую роль играют дополнительные слабые источники ионизации: метеориты, сгорающие на высотах 60—100 км, космические лучи, а также энергичные частицы магнитосферы (заносимые в этот слой во время магнитных бурь). Слой D также характеризуется резким снижением степени ионизации в ночное время суток. В D-слое наиболее полно исследован состав кластерных ионов и протекающие с их участием процессы.

Слой Е. Область Е (90—120 км) характеризуется плотностями плазмы до Nmax~ 105 см−3. В этом слое наблюдается рост концентрации электронов в дневное время, поскольку основным источником ионизации является солнечное коротковолновое излучение, к тому же рекомбинация ионов в этом слое идёт очень быстро и ночью плотность ионов может упасть до 10³ см−3. Этому процессу противодействует диффузия зарядов из области F, находящейся выше, где концентрация ионов относительно велика, и ночные источники ионизации (геокороное излучение Солнца, метеоры, космические лучи и др.).

Спорадически на высотах 100—110 км возникает слой ES, очень тонкий (0,5—1 км), но плотный. Особенностью этого подслоя является высокая концентрации электронов (ne~105 см−3), которые оказывают значительное влияние на распространение средних и даже коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы. Слой E в силу относительно высокой концентрации свободных носителей тока играет важную роль в распространении средних и коротких волн. Слой Е иногда называют «слой Кеннелли — Хевисайда».

Слой F. Областью F называют теперь всю ионосферу выше 130—140 км. Максимум ионобразования достигается на высотах 150—200 км. Однако вследствие диффузии и относительно долгой длительности жизни ионов образовавшаяся плазма распространяются вверх и вниз от области максимума. Из-за этого максимальная концентрация электронов и ионов в области F находится на высотах 250—400 км.

В дневное время также наблюдается образование «ступеньки» в распределении электронной концентрации, вызванной мощным солнечным ультрафиолетовым излучением. Область этой ступеньки называют областью F1 (150—200 км). Она заметно влияет на распространение коротких радиоволн.

Выше лежащую часть cлоя F называют слоем F2. Здесь плотность заряженных частиц достигает своего максимума — N ~ 105—106 см−3.

На больших высотах преобладают более лёгкие ионы кислорода (до высот 400—1000 км), а ещё выше — ионы водорода (протоны) и в небольших количествах — ионы гелия.

Особенностью слоя F является то, что он отражает радиоволны, что делает возможным передачу радиосигналов коротковолнового диапазона на значительные расстояния.

Несмотря на то, что ионный состав слоя F зависит от солнечной активности, его способность отражать электромагнитные волны с частотой, меньшей 10 МГц, стабильна.

Стабильный приём дальних радиовещательных станций зависит от используемых частот, а также от времени суток, сезона и, кроме того, от солнечной активности. УФ-излучения Солнца усиливает ионизацию в ионосфере. Радиоволны, излучаемые наземной станцией, распространяются прямолинейно, как и все виды электромагнитных колебаний. Однако следует учесть, что как поверхность Земли, так и ионизованные слои ее атмосферы, служат как бы обкладками огромного конденсатора, воздействующими на радиоволны подобно действию зеркал на свет

Рисунок 13 - Распространение радиоволн в ионосфере

Пока газовая оболочка Земли освещена Солнцем, в ней непрерывно образуются всё новые и новые электроны, но одновременно часть электронов, сталкиваясь с ионами, рекомбинирует, вновь образуя нейтральные частицы. После захода Солнца образование новых электронов почти прекращается, и число свободных электронов начинает убывать. Чем больше свободных электронов в ионосфере, тем лучше от неё отражаются волны высокой частоты. С уменьшением электронной концентрации прохождение радиоволн возможно только на низкочастотных диапазонах. Вот почему ночью, как правило, возможен приём дальних станций лишь в диапазонах 75, 49, 41 и 31 м.

На высоте от 50 до 400 км имеется несколько слоёв или областей повышенной концентрации электронов. Эти области плавно переходят одна в другую и по-разному влияют на распространение радиоволн КВ диапазона. Верхний слой ионосферы обозначают буквой F. Здесь наиболее высокая степень ионизации (доля заряженных частиц порядка 10–4). Она расположена на высоте более 150 км над поверхностью Земли и является основным отражателем высокочастотных радиоволн КВ диапазонов. В летние месяцы область F распадается на два слоя – F1 и F2. Слой F1 может занимать высоты от 200 до 250 км, а слой F2 как бы «плавает» в интервале высот 300 – 400 км. Обычно слой F2 ионизирован значительно сильнее слоя F1. Ночью слой F1 исчезает, а слой F2 остаётся, медленно теряя до 60% степени своей ионизации. Ниже слоя F на высотах от 90 до 150 км расположен слой E, ионизация которого происходит под воздействием мягкого рентгеновского излучения Солнца. Степень ионизации слоя E ниже, чем слоя F, днём приём станций низкочастотных КВ диапазонов 31 и 25 м происходит при отражении сигналов от слоя E. Обычно это станции, расположенные на расстоянии 1000 - 1500 км. Ночью в слое E ионизация резко уменьшается, но и в это время она продолжает играть заметную роль в приёме сигналов станций диапазонов 41, 49 и 75 м.

Большой интерес для приёма сигналов высокочастотных КВ диапазонов 16, 13 и 11 м представляют возникающие в слое E облака сильно повышенной ионизации. Площадь этих облаков может изменяться от единиц до сотен квадратных километров. Этот слой повышенной ионизации получил название – спорадический слой Es. Облака слоя Es могут перемещаться в ионосфере под воздействием ветра и достигать скорости до 250 км/час. Летом в средних широтах в дневное время прохождение радиоволн за счёт облаков Es происходит 15 – 20 дней в месяц. В районе экватора слой Es присутствует почти всегда, а в высоких широтах обычно появляется ночью. Иногда, в годы низкой солнечной активности, когда не проходят волны высокочастотного КВ диапазона, в диапазонах 16, 13 и 11 м внезапно возникает хорошая слышимость удаленных станций, сигналы от которых многократно отразились от слоя Es.

Самая нижняя область ионосферы – область D расположена на высотах между 50 и 90 км. Здесь сравнительно мало свободных электронов. От области D хорошо отражаются длинные и средние волны.

Нормальная ионосфера. Наблюдения, проведенные при помощи геофизических ракет и спутников, дали массу новой информации, свидетельствующей, что ионизация атмосферы происходит под воздействием солнечной радиации широкого спектра. Основная ее часть (более 90%) сосредоточена в видимой части спектра. Невидимое коротковолновое ультрафиолетовое излучение возникает в солнечной хромосфере, а еще более энергичное рентгеновское излучение приходит от самой внешней атмосферы Солнца – короны.

Нормальное (среднее) состояние ионосферы обусловлено постоянным мощным излучением. Регулярные изменения происходят в нормальной ионосфере под воздействием суточного вращения Земли и сезонных различий угла падения солнечных лучей в полдень, но происходят также непредсказуемые и резкие изменения состояния ионосферы

Рисунок 14 – Зависимость излучения от высоты ионосферы

На Солнце периодически возникают мощные извержения плазмы и электромагнитного коротковолнового излучения. В периоды высокой активности видимая яркость некоторых областей на Солнце возрастает в несколько раз, а в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне мощность увеличивается в десятки раз. Такие явления называются солнечными вспышками. Они продолжаются от нескольких минут до одного-двух часов.

Во время вспышки извергается солнечная плазма, состоящая в основном из протонов, электронов, и других элементарных частиц, которые устремляются в космическое пространство. Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца от вспышек оказывает сильное воздействие на все слои атмосферы Земли.

Электромагнитное излучение вспышки наблюдается через 8 мин после взрыва вспышки. В видимом свете вспышка видна на диске Солнца, а мощное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение резко повышает ионизацию ионосферы Земли

Применение сначала ракет, а потом и спутников позволило получить более надёжную информацию о верхней атмосфере, непосредственно измерить на ракетах ионный состав (при помощи масс-спектрометра) и основные физические характеристики ионосферы (температуру, концентрацию ионов и электронов) на всех высотах, исследовать источники ионизации — интенсивность и спектр коротковолнового ионизующего излучения Солнца и разнообразных корпускулярных потоков. Это позволило объяснить регулярные изменения в ионосферы. С помощью спутников, несущих на борту ионосферную станцию и зондирующих ионосферу сверху, удалось исследовать верхнюю часть ионосферы, расположенную выше максимума слоя F и поэтому недоступную для изучения наземными ионосферными станциями.

В качестве примера количественной оценки ионосферы приведем запуск на орбиту космической лаборатории "Скайлэб". На заключительном этапе на высоте 440 км в результате сжигания водорода в среде кислорода в двигателях второй ступени она выбрасывала в атмосферу 13·1028 мол/с Н2О и 1028 мол/с Н2. При скорости V = 7,3 км/с (на заключительном разгонном участке) это составило 1027 молекул Н2 и Н2О на 1 км пути. При количестве примесей, отнесенной к единице длины источника Q' = 1027 км-1, коэффициенте теплопроводности D = 107 м2/с и расстоянии финишного участка r = 1000 км концентрация молекул Н2 и Н2О составила

(29)

Такое количество молекул H2 и H2O равно концентрации электронов в ионосфере на этой высоте, и поэтому вполне достаточно для заметного ускорения реакций поглощения и исчезновения электронов в ионосфере, что и вызывает возмущение ионосферного слоя F2. Отметим, что именно изменение интегрального количества электронов (ИКЭ) в ионосфере влияет на значение фарадеевского поворота плоскости поляризации высокочастотного радиосигнала:

(29)

где Lne — ИКЭ; H — напряженность геомагнитного поля; mH — магнитная проницаемость пространства; c — концентрация молекул; ω — частота зондирующего сигнала.

Изменение ИКЭ зарегистрировано пятью ионосферными станциями и двумя геостационарными спутниками. Было измерено падение ИКЭ спустя 10 мин после старта с 10·10-12 см-2 до 5·10-12 см-2 менее чем за 2 мин. В дальнейшем отмечено его возрастание до 15·10-12 см-2 спустя шесть часов и возвращение в нормальное состояние слоя. Общее время реакции ионосферы на запуск "Сатурн-5" составило около 12 ч.

Использование других ракет-носителей также существенно влияет на геосферы. В состав топлива "Шаттл" помимо вышеприведенных ингредиентов входят также хлор, хлористый водород, оксид углерода, оксид алюминия. В РН "Энергия" — оксид азота. Эти реагенты еще более интенсивно способствуют распаду ионосферных слоев и уничтожению озона

Остатки ракетного топлива, глобально распространяясь по стратосфере, за счет электропроцессов в газовых средах могут долго находиться в ней, накапливаясь длительное время и не оседая в тропосферу. Кроме того, ионные и озоновые слои чрезвычайно чувствительны к примесям, которые функционируют в качестве катализатора озоно- и ионообразования или распада. Примеси могут проникать в стратосферу из нижних слоев верхней атмосферы, а также поступать в результате ракетных пусков. При очень больших массах выбросов возможно изменение ионосферы в магнитосопряженной области, что приводит к усилению роли водородного цикла в разрушении озона.

Космические аппараты оказывают влияние на слои атмосферы не только при запусках, но и при сгорании в плотных слоях атмосферы. При этом производится активизация участка атмосферы в трассе падения (электризация) с нарушением внутренней динамики слоев. Наиболее сильным примером могут служить случаи падения орбитальных станций "Скайлэб" и "Салют", энерговыделение которых достигает десятка килотонн тринитротолуола.

Учитывая вышеприведенные оценки, можно сделать вывод, что электризация тел в потоке водного аэрозоля может существенно влиять на атмосферные перетоки и распределение атмосферного электрического поля.

Галактические космические лучи и высокоэнергетические электроны из радиационного пояса Земли вторгаются в атмосферу [68, 69]. При взаимодействии с плотной атмосферой они порождают рентгеновские лучи, способные проникать еще ближе к поверхности Земли. Учитывая, что при старте КА происходит образование ионосферных "дыр", то трасса полета может служить коридором для проникновения высокоэнергетичных частиц к поверхности Земли и воздействием на биоту.