Ионосфера

Помимо зон авроральной и захваченной радиаций, заряженные частицы, правда, совершенно другой природы, имеются в атмосфере. Особенно большое количество их содержится в верхнем слое атмосферы - ионосфере, располагающемся на высотах более 60 км от земной поверхности.

Разреженная верхняя атмосфера находится под воздействием излучения Солнца, космических лучей, высыпающихся частиц авроральной и захваченной радиации и т. п. Такое воздействие приводит к ионизации некоторых нейтральных молекул и атомов воздуха. Процесс ионизации заключается в том, что при столкновении достаточно энергичных квантов или частиц с молекулами и атомами воздуха происходит выбивание электронов из этих молекул и атомов, т. е. нейтральные молекулы и атомы разбиваются на отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы. В результате ионизации верхний слой атмосферы состоит как из нейтральных молекул и атомов воздуха, так и из свободных электронов и ионов. Этот слой атмосферы и называется ионосферой.

Из всего солнечного спектра только ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-кванты обладают энергией, достаточной для ионизации воздуха. Установлено, что примерно две трети всей энергии, идущей на ионизацию воздуха, приносит коротковолновое излучение Солнца и лишь одну треть - высыпающиеся частицы и космические лучи.

Ионосфера способна отражать и поглощать радиоволны. Это очень важное ее свойство обусловлено присутствием в ионосфере свободных электронов. Радиоволна, встречая свободный электрон, заставляет его колебаться с частотой, равной ее собственной. Такой электрон излучает новую радиоволну. Конечно, излучение одного электрона ничтожно мало. Однако поскольку в ионосфере свободных электронов очень много, то излучаемая ими суммарная энергия сравнима с энергией первоначальной радиоволны. Таким образом, энергия идущей от Земли радиоволны переходит к электронам ионосферы и излучается ими обратно (отражается) к земной поверхности. Многократно отражаясь между ионосферой и земной поверхностью, радиоволны могут достигать самых удаленных точек Земли. Благодаря этому и возможна широко используемая в настоящее время дальняя радиосвязь на земной поверхности.

Так как свободные электроны в ионосфере перемешаны с атомами и молекулами воздуха, то время от времени колеблющиеся электроны сталкиваются с ними. При этом часть колебательной энергии электронов идет на повышение энергии беспорядочного движения молекул, т. е. безвозвратно переходит в тепло. Таким образом, радиоволны испытывают в ионосфере частичное поглощение. Очевидно, что при одном и том же количестве электронов число столкновений их с молекулами воздуха будет больше в нижних слоях ионосферы, где плотность воздуха относительно велика, и меньше в верхних слоях, где молекул и атомов воздуха очень мало. Поэтому возрастание электронной концентрации (т. е. числа электронов в единице объема) в нижних слоях ионосферы всегда сопровождается увеличением поглощения радиоволн. Следует заметить, что при прочих равных условиях поглощение радиоволн уменьшается с увеличением их частоты. Поэтому для дальней радиосвязи на Земле всегда стремятся использовать радиоволны более высокой частоты. Однако увеличивать частоту радиоволны можно лишь до определенного предела - критической частоты, так как радиоволны более высокой частоты уже не отражаются от ионосферы, а пронизывают ее и уходят в мировое пространство. Критическая частота υ зависит от электронной концентрации N ионосферы и приблизительно равна.

Величина электронной концентрации определяется соотношением между двумя противоположными процессами - ионизацией, увеличивающей число свободных электронов, и рекомбинацией, уменьшающей это число. Сущность рекомбинации заключается в том, что свободные электроны и положительно заряженные ионы вследствие электростатического притяжения между ними могут встречаться и соединяться, образуя нейтральные частички. Если ионизация идет более интенсивно, чем рекомбинация, то электронная концентрация растет, и наоборот.

Как же изменяется электронная концентрация с высотой? Проникая сверху, излучение сильно ионизирует самые верхние слои атмосферы. Однако электронная концентрация там мала из-за ничтожной плотности воздуха. Проходя вниз, в более плотные слои атмосферы, излучение встречает и ионизирует все большее и большее число нейтральных молекул и атомов. Поэтому при движении сверху вниз электронная концентрация должна расти. Однако это происходит лишь до определенной глубины атмосферы, так как по мере проникновения вниз излучение ослабевает все сильнее и сильнее и образование электронов вследствие этого уменьшается. Таким образом, электронная концентрация должна достигать максимума на некотором уровне, который зависит от скорости увеличения плотности вниз и от быстроты поглощения ионизирующей радиации.

Измерения электронной концентрации в ионосфере подтверждают наличие максимума концентрации на высоте, которая меняется в зависимости от времени между 250 в 400 км. Здесь электронная концентрация достигает 1-5×10⁶ электрон/см³ (эл/см³). Эта область ионосферы называется областью F₂.

В среднем выше области F₂ электронная концентрация медленно убывает с высотой. На высоте 1500-2000 км она составляет ≈ 1-4×10⁴ эл/см³. Даже на высоте 5000- 7000 км электронная концентрация еще равна 1-3×10³ эл/см³ т. е. значительно превышает концентрацию высокоэнергичных частиц захваченной радиации. Измерения, выполненные на ракетах и спутниках, показывают, что, по-видимому, ионосфера простирается до 5 радиусов Земли, а может быть, и дальше.

При движении снизу к области F₂ электронная концентрация очень быстро растет - в несколько раз быстрее, чем убывает сверху. Раньше считали, что этот рост происходит скачками, и поэтому выделяли дополнительные максимумы электронной концентрации - слои, или области, D, Е и F₁. Хотя в настоящее время доказано, что ионосфера представляет собой единое образование, все же от выделения областей D, Е и F₁ не отказались.

Область D расположена ближе всего к Земле, на высоте 60-80 км, и имеет электронную концентрацию 10³-10⁴ эл/см³. Помимо электронов, здесь преобладают сложные ионы Н₃0+ и H₅O₂+ . Область D наблюдается только днем. С заходом Солнца она исчезает вследствие рекомбинации. Выше, на высотах 110-150 км, находится область Е с электронной концентрацией около 2×10⁵ эл/см³ днем и 10⁴ эл/см³ - ночью. Здесь, помимо электронов, преобладают ионы О₂+ и NO+.

На высотах 150-250 км располагается область F₁ с концентрацией около 4×10⁵ эл/см³. Она наблюдается только летом и в дневное время, в остальное же время сливается с областью F₂. В области F происходит постепенный переход от ионов 0₂+ и NO+ к ионам 0+. Выше слоя F₂ основными компонентами ионосферы являются ионы Не+ и Н+. Самые внешние слои ионосферы состоят практически из одних протонов Н+.

Ионосфера по своей природе - чрезвычайно изменчивая среда. Поскольку она обязана своим происхождением главным образом ионизирующему излучению Солнца, то все изменения и возмущения потоков этого излучения отражаются на состоянии ионосферы. Прежде всего из-за изменения высоты Солнца над горизонтом в ионосфере происходят регулярные суточные и сезонные изменения, которые зависят от географической широты. Электронная концентрация во всех областях ионосферы достигает максимальной величины в полдень и летом, а минимальной - в полночь и зимой. Лишь область F₂ ведет себя во многих отношениях необычно. Так, электронная концентрация в этой области уменьшается к полудню, а суточный максимум зимой часто бывает выше, чем летом. Хотя в настоящее время установлено, что эти аномалии обусловлены не особенностями ионизации, а вертикальными движениями ионосферной плазмы, все же многое в поведении области F₂ остается загадочным.

Циклические изменения солнечной активности также находят отражение в состоянии ионосферы. Так, в 1958 г. в период максимума солнечной активности электронная концентрация везде была почти в 10 раз больше, чем в 1965 г., когда отмечался минимум солнечной активности.

Особенно заметные возмущения в ионосфере происходят после хромосферных вспышек на Солнце. Резкое возрастание коротковолновой радиации во время вспышки приводит к усилению ионизации нижних слоев атмосферы и как следствие - к сильному поглощению радиоволн. В результате этого на земной поверхности отмечается сильное ухудшение или полное прекращение слышимости коротковолновых радиопередач. Такие ионосферные возмущения длятся от нескольких минут до 1-2 час. и бывают заметны повсюду на дневной стороне Земли. Обычно через 1-2 дня после ионосферного возмущения начинается ионосферная буря. Она наблюдается как на дневной, так и на ночной сторонах Земли и продолжается от нескольких часов до нескольких суток. При ионосферной буре резко нарушается нормальное распределение электронной концентрации в ионосфере. В полярных областях буря сопровождается разрушением области F₂ и заметным ростом электронной концентрации в нижних слоях ионосферы, что сильно ухудшает прохождение радиоволн, приводя к полярным замираниям. Как правило, ионосферные бури наблюдаются одновременно с интенсивными полярными сияниями и магнитными бурями. Они, по-видимому, вызваны резким усилением потока высыпающихся из области авроральной радиации частиц, имеющим место после прихода к Земле выброшенного из района хромосферной вспышки потока корпускул. Запаздывание начала ионосферной бури по отношению к началу ионосферного возмущения объясняется тем, что корпускулярные потоки движутся от вспышки к Земле со скоростью всего лишь около 1000 км/сек, в то время как потоки коротковолновой радиации распространяются со скоростью света, т. е. ≈ 300 000 км/сек.

Даже при отсутствии возмущений ионизирующей радиации ионосфера ведет себя как чрезвычайно изменчивая среда. В ней непрерывно возникают и быстро исчезают неоднородные образования - "облака" плазмы самых различных размеров. Наиболее часто наблюдаются "облака" размером 15-30 и 1-2 км. Время их жизни может быть меньше нескольких секунд. Именно из-за наличия "облаков" плазмы и их движения происходит "мерцание" принимаемой радиостанции. Как возникают неоднородные образования? Что заставляет плазму собираться в "облака"? Эти вопросы до сих пор остаются без ответа.

При освещении проблем, связанных с ионосферой, нельзя не отметить того, что между нижней границей ионосферы и земной поверхностью постоянно существует огромная разность потенциалов ≈ 400 000 В! Мы как бы живем внутри огромного конденсатора, заряженными пластинами которого являются верхние слои атмосферы и земная поверхность. При этом Земля заряжена всегда отрицательно, а потенциал в ионосфере положителен. Отрицательный заряд Земли равен около 3×10⁵ Кулон. Поскольку во всей толще атмосферы всегда имеются ионы, то от верхних слоев атмосферы к Земле все время течет слабый ток. Хотя поток его составляет лишь 10^-16 А/см², сила электрического тока, протекающего через атмосферу, равна примерно 1800 А, а мощность составляет 4×10⁵ В×1800А ≈7×10⁸ Вт! При таком сильном токе конденсатор Земля - ионосфера разрядился бы за несколько минут. Чем же поддерживается постоянно существующая разность потенциалов? Окончательного ответа на этот вопрос еще нет, но наиболее вероятно - грозами. Именно они разделяют положительные и отрицательные заряды. Последние при ударах молнии стекают на Землю, а положительные заряды уносятся вверх к облачному куполу, откуда они входят в высокие, хорошо проводящие слои атмосферы и растекаются над всей Землей. Атмосфера в данном случае является своего рода постоянно действующей электрической машиной.

Градиент потенциала электрического поля в атмосфере сильно меняется в зависимости от состояния ионосферы, условий погоды, запыленности воздуха и т. д. Его величина колеблется от 0 до 250 В/м. Эти изменения электрического поля атмосферы влияют на процессы, протекающие в живых организмах. Не удивительно, что и самочувствие человека в какой-то степени определяется состоянием электрического поля атмосферы.