Лекция 6: Ионосфера Земли

§1. Откуда есть пошла ионосфера.

Что такое ионосфера Дадим предварительное определение: ионосфера – это плазменная оболочка Земли (небесного тела вообще). Околоземная плазма эффективно сосредоточена (эффективно в смысле e - 1 ) в слое на высоте от примерно 250 км до 600 км. С выраженным максимумом концентрации на высоте ~ 300 км. n e, м -3 z, км деньночь

Открытие ионосферы имеет свою интересную историю. Вывод о существовании в космосе над Землёй проводящей области был независимо сделан исходя из наблюдений: 1) вариаций МПЗ, 2) сверхдальнего распространения радиоволн. Долгое время (до 30-х годов XX ст.) факты 1) и 2) изучались параллельно и независимо. Поэтому очень правильное название головного советского института: ИЗМИРАН – Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (АН СССР).

Гаусс (Gauss), 1839 – деление МПЗ на внешнюю и внутреннюю составляющие по отношению в поверхности Земли. Стюарт (Stewart), 1882 – вывод о существовании в атмосфере проводящей области, как он предполагал, на высоте ~ 70 км После радиопередачи Маркони через Атлантический океан (1901 г.) вывод о наличие в небе отражающего слоя независимо сделали Кеннели (Kennelly), 1902, и Хэвисайд (Heaviside), Высоту отражения оценивали как ~ 80 км. Прямое наблюдение слоя Кеннели-Хэвисайда (по анализу радио- отражений) произвёл Эпплтон (Appleton), Он назвал этот слой «слой Е» (от Electric). Когда потом открыли слои выше и ниже слоя Е, их назвали в алфавитном порядке – D, E, F Теория деления ионосферы на слои принадлежит Чепмену (Chapmen), Линейную (или -) рекомбинацию придумал Бредбери (Bradbury), История вопроса

С пониманием многочисленных тонкостей, выявившихся в ходе изучения ионосферы дадим более аккуратное определение : Ионосфера – это область ионизированной атмосферы выше примерно км, где плазма уже существенно влияет на распространение радиоволн. Долгое время считали, что сверху ионосфера бесструктурно сливается с межпланетной средой. Всё изменилось в космическую эру, когда прямые спутниковые измерения выявили отчётливо разные «космические среды»: ионосферу, магнитосферу и солнечный ветер. до космической эры начало 60-х начало 70-х Смена парадигмы ось времени

Граница магнитосферы и ионосферы «прокладывается» на высотах ~ 1000 км. Условно. Тем самым плазменная оболочка Земли подразделяется на внутреннюю и внешнюю: ионосферу и магнитосферу. Они очень разные. Во-первых, несопоставимы размеры: ионосфера – это «тонкая плёнка» в основании магнитосферы. Во-вторых, плазма сосредоточена таки в ионосфере, в магнитосфере – хвостик экспоненты. Совершенно различны управляющие процессы : ионосфера – это «фотохимический котёл», причём плазма здесь – малая химическая добавка к нейтральному газу.

ионынейтралы Т.о., термин ионосфера является равноправным названием атмосферы в области высот, где «много плазмы». В стремлении к строгости формулировок дадим выхолощенное определение: ионосфера – это ионизированная атмосфера Земли на высотах от 50 км до приблизительно 1000 км. уже влияет на радиосвязь выше - магнитосфера Ионосфера кометы, она же наведенная магнитосфера

§2. Функция ионизации атмосферы.

150 км 80 км z Пороги ионизации атмосферных газов Кислород молекулярный, О 2 : Кислород атомарный, О: Азот молекулярный, N 2 : ионизация Идея состоит в том, что ЭУФ поглощение солнечного излучения приводит к ионизации. Темп ионизации пропорционален поглощаемой энергии: [эрг/см 3 с] [количество эл.-ион. пар/см 3 с] что-то типа «количество фотоэлектронов на 1 фотон» очередная реализация слоя Чепмена Азот атомарный, N:

Если бы атмосфера состояла из единственного сорта газа, а солнечное излучение было бы монохроматическим, то функция ионизации (вертикальное распределение темпа ионизации) повторяло бы слой Чепмена для поглощённой солнечной энергии: На самом деле функция ионизации представляет собой суперпозицию индивидуальных (парциальных) слоёв Чепмена для всех частот падающего излучения и всех сортов ионизируемых частиц. В результате выделяются локальные максимумы темпа ионизации: от O 2, от О + N 2 минимум солнечной активности зенитный угол = 90 зенитный угол = 33.5

§3. Рекомбинация в атмосфере.

Реакции рекомбинации – радиативная рекомбинация атомных ионов – рекомбинация атомных ионов при тройных соударениях – диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов На высоте 150 км время жизни электрона по отношению к этим реакциям: ~ 10 лет, ~ 10 4 лет и ~ 1 мин. Ибо энергию связи надо потратить. Для этого надо, чтобы было что отколоть и/или запустить – третья частица. Ионно-молекулярные реакции Ионно-молекулярные реакции (по старому «реакции перезарядки»): Эти реакции идут охотно! Мораль. Рекомбинация электронов не всегда идёт с первичными ионами – ионизируется одно, рекомбинируется другое.

Основной закон: скорость изменения концентрации плазмы = ионизация минус рекомбинация минус (плюс) дрейф Время жизни и время переноса частиц Проанализируем потери плазмы – два последних члена в правой части. Введём время переноса (диффузии) t D : Здесь L ~ 100 км – вертикальный масштаб ионосферы. Время жизни t l : где l – темп рекомбинации (вычисляется далее) ВысотаВремя жизни t l (по Брюнелли-Намгаладзе) Время переноса t D (по Леонтьеву) 100 км1 мин (день) – 1 час (ночь)20 месяцев 200 км10 мин4 час 300 км1-10 час15 мин 400 км10 час2 мин

Вначале происходит обмен зарядом: Потом быстро происходит диссоциация, как в Е-области. Отметим: эффективный коэффициент рекомбинации - рекомбинация - рекомбинация На высотах Е-области ( км) доминируют реакции рекомбинации: В равновесии: Слой Чепмена: слой был – слой остался: - рекомбинация - рекомбинация (линейная рекомбинация, рекомбинация Бредбери) На высотах F-области (>140 км) прямая рекомбинация очень медленная!

Фотохимический парадокс в F2-области Выше приблизительно 200 км вступают в игру следующие факторы: 1) Атмосфера становится оптически тонкой I (z) = I, 2) Основным газом становится О, основным ионом О +. (Эти факторы упрощают анализ взаимодействия ионизирующего изучения с атмосферой.) Следовательно, при химическом равновесии концентрация плазмы должна монотонно (экспоненциально!) нарастать с высотой! Такого не происходит. Абсолютный максимум n p достигается при в районе ~ 300 км. Ограничивающим механизмом является амбиполярная диффузия. Днём плазма дрейфует из области максимума вверх, в магнитосферу, ночью опускается из магнитосферы вниз. больше нуля

§4. Строение ионосферы Земли.

Морфологическая структура ионосферы D-область км. Управляющий процесс: - рекомбинация. Сложный ионный состав, ниже 75 км концентрация отрицательных ионов превышает концентрацию электронов. Е-область км. Управляющий процесс: - рекомбинация. Основные нейтралы О 2, N 2. Основные ионы О 2 +, NО +. F1-область км. Управляющий процесс: - рекомбинация. Основной О +. F2-область км. В других источниках км. Область главного максимума в распределении электронной концентрации по высоте. Управляющий процесс: диффузионное (не рекомбинационное!) равновесие. Основной ион О+. Выше 600 км ионосферу часто называют внешней (topside) ионосферой. 4 основные области ионосферы связаны с различными управляющими процессами. Эти процессы (а не простая дифференциация по высоте) лежат в основе разделения ионосферы на области D,E,F1,F2 и на других планетах. F2 F1 E D DEMETER Січ-2 Січ-1М

F2F2F2F2 F1 E F2F2F2F2 F1 E EsEsEsEs день ночь Суточная динамика ночь E F1 F2F2F2F2 день 1) Ночью поток плазмы из внешней ионосферы обрушивается в «плотную» термосферу и эффективно рекомбинирует ниже 200 км 2) Ночью проявляются спрорадические слои E s (днём они просто незаметны на общем фоне)

§5. Вертикальное зондирование ионосферы.

Электромагнитные волны в плазме – это закон дисперсии – диэлектрическая проницаемость – это волна А это зависимость от концентрации плазмы: npnp 0 1 ncnc плазменное полупространство ЭМ волна z x Рассмотрим отражение (зондирующей) ЭМ волны от плазменного слоя: Точка отражения ЭМ волны. Определяется условием: = p (z) область распространения область отражения

Метод вертикального импульсного зондирования ионосферы z p z Вариант 1: z Вариант 2: z Вариант 3: Этот метод впервые применён Брайтом и Тьювом (Breit, Tuve), Первая ионосферная станция (ионозонд) основана в Англии в 1932 г. Сегодня – это всемирная сеть ионозондов. Принцип работы ионозонда: радиолокация ионосферы серией импульсов, несущая частота которых смещается от импульса к импульсу, покрывая диапазон 1-25 МГц. К объяснению «кажущейся» высоты отражения: обыкновенная волна необыкновенная волна ход концентрации n p

ИОНОГРАММА

To be continued