Где сколько электронов

Итак, двигаясь вверх от нашей условной границы 50 км и игнорируя существование проблематического слоя С, мы оказываемся в области D. Это самая тяжелая для исследования часть ионосферы. Почему? Об этом мы поговорим в главе, посвященной области D. Сейчас отметим главное. Область D - единственная область ионосферы, где "уживаются" три типа заряженных частиц: положительные и отрицательные ионы и электроны. Ниже, как мы отмечали, практически нет электронов - они все присоединились к нейтральным частицам и образовали отрицательные ионы. Выше (в области Е) совсем нет отрицательных ионов. Плотность нейтрального газа здесь недостаточна для эффективного прилипания электронов к нейтралам.

Значит, именно в области D происходит "смена власти". Царство отрицательных ионов сменяется царством электронов. Поскольку процесс непрерывный, обязательно где-то есть высота Ар, где концентрации электронов и отрицательных ионов равны. Точное значение h_р пока не известно, равно как плохо известны и величины отношения количества отрицательных ионов к количеству электронов ([Х^-]/[е] = λ) ниже hр. Считается, что h_р≈75 км днем в спокойных условиях. Ночью высота h_р должна возрастать, а во время сильных возмущений (вспышка, полярное сияние) - падать. Поскольку в силу так называемой квазинейтральности ионосферной плазмы всегда количества положительно и отрицательно заряженных частиц в единице объема равны:

Формула положительно и отрицательно заряженных частиц в единице объема

мы можем полагать выше h_р [Х⁺]≈[е] и ниже h_р [X⁺]≈[X^-].

Рисунок дает пример распределения заряженных частиц в области D для нормального спокойного дня и двух крайних случаев - спокойной ночи и возмущенного дня. Иллюстрируя все сказанное об изменении соотношения между [е] и [Х^-], рисунок дает в то же время представление о том, как сильно могут изменяться абсолютные концентрации всех заряженных частиц и прежде всего интересующей нас электронной концентрации.

На самом деле изменчивость электронной концентрации в области D очень велика. Несмотря на технические трудности измерения этой концентрации, известно уже несколько типов вариаций [е] в зависимости от разных геофизических параметров. Чтобы не усложнять наш рассказ, мы не будем останавливаться на этих регулярных вариациях, но посвятим несколько фраз аномальным (возмущенным) условиям в области D.

Больше всего нас будут интересовать три типа возмущений: солнечные вспышки, явления поглощения в полярной шапке и так называемая зимняя аномалия.

Изменчивость электронной концентрации в области D

Первый тип возмущения состоит в резком увеличении концентрации заряженных частиц в области D (иногда в 100 раз и более) непосредственно после вспышки на Солнце. Вызывается такое возмущение, совершенно очевидно, рентгеновским излучением вспышки, которое обычно бывает в сотни и тысячи раз сильнее излучения спокойного Солнца.

Второй тип возмущения также связан с солнечными вспышками, но более косвенным образом. Оно вызывается протонами с энергиями в десятки миллионов электронвольт, вторгающимися в высокоширотную область земной атмосферы (выше примерно 70-й геомагнитной широты - это и есть область полярной шапки) после вспышки на Солнце.

Третий тип возмущения - зимняя аномалия поглощения - состоит, как было установлено относительно недавно, также в довольно сильном увеличении концентрации заряженных частиц на высотах области D. Это увеличение может происходить в 5 - 10 раз, и вызывается оно... Вот, правда, чем оно вызывается, пока достоверно неизвестно. Отмечают лишь, что во время появления зимней аномалии наблюдаются, как правило, различные явления в нижележащих слоях нейтральной атмосферы: стратосферные потепления, смена режимов циркуляции и т. д.

Все три типа возмущений очень характерны для области Z), и их изучение уже дало, как мы увидим в главе 5, много ценного для физики нижней ионосферы. Что касается ионного состава области D, то измерения этого состава еще настолько малочисленны и уникальны, что о них пойдет отдельный подробный разговор. Здесь для общности отметим лишь, что вопрос с химическим отождествлением отрицательных ионов все еще остается открытым, хотя несколько первых измерений их состава и было сделано. С положительными ионами дело обстоит несколько лучше: мы знаем, что в области D наблюдаются в основном положительные ионы-связки (Н₃O⁺, Н₅O⁺, NO⁺×H₂O и т. д.) и обычные ионы NO⁺ и O₂⁺. Соотношение между этими двумя типами ионов сильно меняется в зависимости от условий, что дает нам ключ к пониманию физики ряда процессов (см. главу 5). Заканчивая рассказ о структуре области D, остается добавить, что в ней всегда, по современным представлениям, температура электронов равна температуре нейтральных частиц.

Переходя теперь к вышележащим областям ионосферы, мы имеем одно несомненное преимущество. Нам больше не 'нужно беспокоиться о распределении разных заряженных частиц (как это было в области D). Все, что нас интересует, это профиль электронной концентрации, ибо он выше 90 км всегда тождествен профилю суммарной концентрации положительных ионов.

На рисунке схематически показаны два таких профиля - для дневных и ночных условий. Если мы будем двигаться вверх от высоты 90 км вдоль дневного профиля, величина [е] будет довольно быстро (иногда на порядок величины) возрастать до высоты примерно ПО км, где темп увеличения [е] с высотой резко замедляется. Эта точка перегиба на профиле электронной концентрации и фиксируется на ионограммах как дневной слой Е. Концентрация электронов здесь обычно составляет (3÷-:10) 10⁴ см^-3.

Двигаясь дальше вверх, мы наблюдаем постепенное увеличение [е] вплоть до максимума области F₂, где [е] обычно составляет около 10⁶ см^-3. Где-то в области высот 180 - 200 км темп изменения электронной концентрации меняется: относительно слабое возрастание [е] между областями Е и F (130 - 180км) сменяется более быстрым ростом в основании области F₂ (более 200 км). Если это изменение темпа выражено достаточно хорошо, соответствующая точка перегиба проявляется на монограмме, и мы говорим, что появился слой F₁.

Изменчивость электронной концентрации

Ночью картина несколько отлична. Концентрация в максимуме области Е оказывается в 10 - 100 раз меньше, чем днем. Уменьшение [е] между областями Е и F1 происходит еще сильнее, поэтому ночью иногда максимум области Е может выглядеть как реальный слой с падением [е] выше и ниже максимума. На профиле [е] на высотах 100 - 170 км появляется сильная изрезанность, причем перепады концентрации между соседними максимумами и минимумами могут достигать фактора 3 - 4. Иногда (особенно часто это случается в ночное время) в области Е может появляться узкий (с полушириной порядка нескольких километров) слой электронной концентрации (на нашем рисунке он показан пунктиром) с максимальной величиной [е], в 3 - 5 и даже в 10 раз превышающей концентрацию на соседних высотах. Это так называемый спорадический слой Е, обычно обозначаемый как Е_s. Он хорошо виден на монограммах вертикального зондирования ионосферы.

Изрезанность ночного профиля электронной концентрации в области высот 100 - 170 км и появление спорадического слоя E_s говорят (как увидим в главе 4) о сильном влиянии динамических процессов на ночную ионосферу.

В области F₂, как видно на рисунке, концентрация электронов также сильно уменьшается ночью, при этом повышается и высота максимума [е].

Намереваясь двинуться, в нашем рассказе о профиле [е], дальше вверх, выше максимума области F₂, мы неизбежно наталкиваемся на вопрос: а до каких пор дальше? Где верхняя граница ионосферы?

Вопрос этот не имеет общепринятого решения. В качестве верхней границы ионосферы рассматривают иногда высоту, где сравниваются концентрации ионов кислорода и водорода. Это происходит в зависимости от условий на высотах 600 - 1000 км. Область, лежащую выше, называют тогда протоносферой. Иногда границей ионосферы считают область, где столкновения между частицами становятся несущественными и ионы и электроны начинают "жить" по законам бесстолкновительной плазмы. В этом случае ионосфера переходит прямо в плазмосферу. Наконец, иногда, чисто условно, в качестве верхней границы ионосферы берут высоту (≈1000 км), где сравниваются концентрации нейтральных и заряженных частиц. Тот факт, что вопрос о верхней границе ионосферы окончательно не решен, является лучшим доказательством того, что он и не очень важен и носит скорее терминологический характер. Говоря "ионосфера", все обычно имеют в виду ту область верхней атмосферы, которая наиболее важна для практических целей, т. е. оказывает наибольшее влияние на распространение радиоволн. Это высоты от 50 до 400 - 500 км. Именно этим интервалом высот ограничим свое рассмотрение и мы.