Объемные неоднородности ионизированного газа вызывают рассеяние радиоволн. Указанные явления определяют условия распространения радиоволн в ионосфере и в одних случаях могут быть использованы, а в других должны быть учтены при работе радиолиний. В связи с этим возникла необходимость изучения строения ионосферы и свойственных ей регулярных и случайных изменений.
Ионосфера в целом является квазинейтральной, т. е. количества имеющихся в ней положительных и отрицательных зарядов равны. Состав газа в этой области атмосферы отличается от состава газа вблизи поверхности Земли: помимо молекулярных кислорода и азота имеются атомы этих веществ, причем газы не перемешиваются и располагаются слоями в соответствии с их молекулярной массой.
Температура газа, начиная с высоты h = 80 км, плавно возрастает, достигая 2000—3000 К при h = 500600 км. Возрастание температуры с высотой в области ионосферы объясняется тем, что воздух здесь нагревается непосредственно излучением Солнца.
Основным источником ионизации земной атмосферы являются электромагнитные волны солнечного излучения длиной короче 0,1 мкм — нижний участок ультрафиолетового диапазона и мягкие рентгеновские лучи, а также испускаемые Солнцем потоки заряженных частиц. Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи производят ионизацию только на освещенной части земного шара и более интенсивно в приэкваториальных областях. Заряженные частицы движутся по спиральным линиям в направлении магнитных силовых линий к магнитным полюсам земного шара и производят ионизацию главным образом в полярных областях. Считают, что ионизирующее действие потока частиц составляет не более 50% ионизирующего действия ультрафиолетового излучения Солнца.
Помимо Солнца источником ионизирующего излучения являются звезды, особенно те, которые обладают высокой температурой (около 20 000°С) и создают интенсивное ультрафиолетовое излучение. Но из-за большой удаленности звезд ионизирующее действие их излучения составляет примерно 0,001 часть ионизирующего действия Солнца. Ионизацию создают также метеоры, вторгающиеся в земную атмосферу со скоростями 11—73 км/с. Кроме повышения среднего уровня ионизации метеоры создают местную ионизацию: за метеором образуется столб ионизированного газа, который быстро расширяется и рассеивается, существуя в атмосфере от одной до нескольких секунд. Такие ионизированные следы метеоров образуются на высоте 80—120 км над земной поверхностью.
Одновременно с появлением новых электронов в ионосфере часть имеющихся электронов исчезает, присоединяясь к положительным и нейтральным молекулам. При этом образуются нейтральные молекулы и отрицательные ионы.
Процесс воссоединения заряженных частиц и образования нейтральных молекул называется рекомбинацией.
После прекращения действия источника ионизации электронная плотность спадает по гиперболическому закону. Поэтому с заходом Солнца ионизация в нижних слоях ионосферы исчезает не мгновенно, а в верхних слоях — сохраняется в течение всей ночи.
4.2. Строение ионосферы
Общая картина распределения электронной плотности по
высоте h над земной поверхностью изображена на (рис. 4.1). На высоте 250—400
км, имеется основной максимум ионизации. Область ионосферы ниже основного
максимума ионизации принято называть внутренней ионосферой, а область
ионосферы выше основного максимума — внешней ионосферой. Наиболее
изучена внутренняя ионосфера.
Во внутренней ионосфере существуют несколько неярко выраженных максимумов
концентрации электронов, условно называемых слоями (областями), которые принято
обозначать символами D, E, F1 и F2. Области ионосферы D, Е и F1
обладают достаточно высоким постоянством, проявляющимся в том, что суточный
ход изменения электронной концентрации и высота их расположения сохраняются
почти неизменными. С наступлением темноты из-за быстрой рекомбинации исчезают
области D и F1. В то же время электронная концентрация области Е сохраняет
постоянное значение в течение всей ночи.
В области F2 электронная концентрация и высота расположения максимума значительно изменяются день ото дня. При этом ионизация различна в летнее и зимнее время. Зимой (в северном полушарии) электронная концентрация в этой области увеличивается. Суточный ход электронной концентрации области F2 зависит также от геомагнитной широты (расстояния в градусах дуги от магнитного экватора Земли до точки наблюдения).
Ионосфера неоднородна и в горизонтальном направлении. Максимальные горизонтальные градиенты электронной плотности наблюдаются во время захода и восхода Солнца, но они существенно меньше вертикальных градиентов.
Наряду с рассмотренными регулярными областями ионосферы иногда на высоте 95—125 км образуется так называемый спорадический слой Е (слой ), в котором электронная концентрация в несколько раз превышает концентрацию области Е. Слой в средних широтах чаще образуется днем в летние месяцы. В полярных же районах слой возникает в основном в ночное время.
Поскольку солнечное излучение является основным источником
ионизации атмосферы Земли, то от активности Солнца зависит
и процесс ионизации. Замечено, что активность Солнца изменяется с
периодичностью в 11 лет. Критерием солнечной активности служит относительное
число солнечных пятен, которое характеризует площадь поверхности Солнца,
имеющую наиболее высокую температуру. В настоящее время разработаны методы
прогнозирования числа солнечных пятен на много лет вперед и более точно на
ближайшие годы. Прогнозирование числа солнечных пятен важно в связи с
тем, что электронная плотность ионосферы коррелированна со среднемесячными
числами солнечных пятен. Максимум электронной концентрации увеличивается
в 1,4—3 раза при переходе от минимума к максимуму солнечной активности.
Регулярная слоистая структура ионосферы временами нарушается, причем эти нарушения вызваны изменением деятельности Солнца, наблюдающимся особенно часто в годы максимума солнечной активности. Происходящие на Солнце время от времени вспышки являются причиной извержения потоков заряженных частиц, попадающих в атмосферу Земли и нарушающих нормальный режим ионизации ионосферы. Структура ионосферы нарушается также под действием процессов, происходящих в коре Земли и нижних слоях атмосферы, например во время извержения вулканов.
Рис. 4.1. Распределение электронной
плотности по высоте атмосферы
Изменение ионизации сопровождается изменением магнитного поля Земли и это явление носит название ионосферно - магнитной бури. Во время ионосферно-магнитной бури понижается электронная плотность в области слоя F. Нарушения этого вида могут длиться от нескольких часов до двух суток и происходят главным образом в приполярных районах.
Временами на Солнце происходят вспышки интенсивного ультрафиолетового излучения, вызывающего повышенную ионизацию нижней ионосферы в слое D. Это явление может длиться от нескольких минут до нескольких часов и происходит только на освещенной стороне земного шара.
Исследования показали, что помимо регулярных и нерегулярных изменений средних величин электронной плотности в ионосфере происходят непрерывные флуктуации электронной плотности. В ионосфере непрерывно происходят сгущения и разряжения плотности ионизации, нерегулярные как во времени так и от точки к точке. Кроме того, под действием ветров вся неоднородная структура ионосферы перемещается. Причинами образования неоднородностей в ионосфере являются турбулентное движение воздуха и неоднородность ионизации.
Неоднородности представляют собой некоторые области с электронной плотностью, отличной от среднего значения электронной плотности на данной высоте ионосферы. Размеры неоднородностей на высоте 60—80 км в слое D составляют до нескольких десятков метров, на высоте слоя E - 200—300 м, а в слое F размер неоднородностей достигает нескольких километров, причем они имеют продолговатую форму и вытянуты вдоль силовых линий постоянного магнитного поля.
Отклонение электронной плотности неоднородностей от среднего значения электронной плотности на данной высоте составляет (0,1 — 1) %; скорость хаотического движения 1—2 м/с.
4.3. Диэлектрическая проницаемость и проводимость ионизированного газа (плазмы)
Относительная диэлектрическая проницаемость ионизированного газа отличается от единицы из-за того, что под действием электрического поля проходящей волны электроны получают смещение относительно равновесного положения и газ поляризуется. Помимо электронов в ионосфере содержатся ионы и нейтральные молекулы, совершающие беспорядочное тепловое движение. Сталкиваясь с тяжелыми частицами, электроны передают им энергию, полученную от электромагнитной волны. При столкновениях эта энергия переходит в энергию теплового движения тяжелых частиц, что и приводит к поглощению радиоволн в ионизированном газе.
Диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость ионизированного газа определяются выражениями
где — масса электрона (9,109 10-31кг); е — заряд электрона (1,6010-19 Кл); — число соударений электрона с тяжелыми частицами, происходящее в 1 с, определяемое тепловым движением частиц; Nэ — электронная плотность, см-3.
Для высоких частот, когда 2>> 2, можно пренебречь величиной 2 по сравнению с 2. Тогда выражения для c учётом подстановки в них числовых значений e, , , можно записать:
(4.1)
(4.2)
Используя частоту электромагнитной волны (кГц) формулу для e удобно записать в таком виде:
(4.3)
Это основная расчетная формула для определения относительной диэлектрической проницаемости ионизированного газа. Очевидно, что при значительной электронной плотности диэлектрическая проницаемость газа может оказаться равной нулю.
Частота , при которой выполняется условие e = 0,
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
