какие слои атмосферы называют ионосферой

Ионосфера

Ионосфе́ра — 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.

Содержание

Структура ионосферы

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 N_max

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. [1]

Слой Е

Область Е (90—120 км) характеризуется плотностями плазмы до N_max

Спорадически на высотах 100—110 км возникает слой E_S, очень тонкий (0,5—1 км), но плотный. Особенностью этого подслоя является высокая концентрации электронов (n_e

10 5 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

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.

За открытие слоя F английскому физику Эдварду Виктору Эплтону была присуждена Нобелевская премия по физике в 1947 году.

Моделирование ионосферы

Модель ионосферы представляет собой распределение значений характеристик плазмы в виде функции географического положения, высоты, дня года, а также солнечной и геомагнитной активности. Для задач геофизики, состояние ионосферной плазмы может быть описано четырьмя основными параметрами: электронной плотностью, электронной и ионной температурами и, в силу наличия нескольких типов ионов, ионным составом. Распространение радиоволн, например, зависит исключительно от распределения электронной концентрации.

Одним из эффективных методов моделирования ионосферы, является так называемая техника ассимиляции данных. Суть этой методики состоит в корректировке физической модели ионосферы с помощью оперативно получаемых экспериментальных данных. Обычная модель ионосферы, основанная на физике исследуемых процессов, не может охватить всего диапазона факторов, влияющих на состоянии плазмы. Это связано с тем, что некоторые необходимые для этого величины сложно измерить экспериментально (скорости ветра на высотах термосферы, прохождение сквозь атмосферу космических лучей и др.). Кроме того, даже влияние хорошо изученных факторов, таких, например, как солнечная активность, трудно предсказать.

История исследования

В 1901 году Гульельмо Маркони принял трансатлантический радиосигнал с помощью 152-метровой антенны в городе Сент-Джонс на острове Ньюфаундленд (сейчас является территорией Канады). Передающая станция в Корнуолл, Англия использовала очень мощный (в сто раз мощнее любого, существовавшего в то время) передатчик, испускавший радиоволны на частоте примерно 500 кГц. Сообщение, которое принял Маркони, состояло из трех точек: обозначение азбуки Морзе для английской буквы S. До того, как сигнал достиг Ньюфаундленда, он дважды отразился от ионосферы. Несмотря на все сомнения и кривотолки, которые вызвал эксперимент Маркони, он успешно повторил его год спустя, приняв сигнал в заливе Глэйс, Новая Шотландия, Канада.

В 1926 году шотландский физик Роберт Уотсон-Ватт ввел термин ионосфера в письме, опубликованном только в 1969 году в журнале Nature:

В 1947 году Эдвард В. Эплтон был удостоен Нобелевской премии по физике за подтверждения существования ионосферы в 1927 году с формулировкой «За исследования физики верхних слоёв атмосферы, в особенности за открытие так называемого слоя Эплтона» [9]

Лойд Беркнер был первым, кто впервые измерил высоту и плотность ионосферы, что несомненно поспособствовало теории распространения коротких радиоволн. Морис Уилкс и Джон Рэтклифф исследовали распространение очень длинных радиоволн в ионосфере. Виталий Гинзбург разработал теорию распространения электромагнитных волн в плазме в частности в ионосфере. [10]

В 1962 году был запущен канадский спутник Alouette-1 для изучения ионосферы. [11] После его успеха также для измерения и исследования ионосферы были отправлены Alouette-2 в 1965 году и два спутника ISIS [12] в 1969 и 1971 годах.

Источник

Ионосфера земли

Что такое ионосфера, ее функции и особенности

Под так называемой ионосферой принято понимать верхнюю часть атмосферы, которая располагается выше 50 километров от поверхности Земли. Данный слой сильно ионизирован, а не представляет собой космический вакуум, как думают некоторые. На самом деле сегодня считается, что «настоящий» космос начинается примерно со ста километров высоты. Так что ионосфера – это еще не космос. Но, разумеется, никакой жизни в данных слоях атмосферы быть не может из-за сильного разряжения.

Отсюда может возникнуть вполне закономерный вопрос: какую роль играет ионосфера в существовании планеты Земля и в жизни человечества вообще?

Состав ионосферы

Как уже упоминалось, ионосфера – это не полная пустота. Более того, здесь существует настоящая смесь газов, находящихся под сильной ионизацией в результате воздействия космических лучей, исходящих от Солнца.

Среди прочих, в наибольшей концентрации здесь находятся следующие газы:

Стоит также отметить, что степень ионизации данного слоя атмосферы увеличивается с возрастанием высоты, начиная с отметки в 60 километров. Прежде существовала теория относительно неизменности состава ионосферы, однако последние научные исследования показали, что содержание ионов и электронов в каждой единице объема может постоянно изменяться – в зависимости от тех или иных условий, включая даже время года и время суток.

Потому, хоть ионосферу и принято сегодня условно разделять на три слоя – D, E и F – данные слои не обозначены четкими границами.

Слои ионосферы

Так называемый слой D – это самый первый слой ионосферы. Он начинается примерно с 50 – 60 километров и заканчивается на высоте 90 километров. В данном случае на степень ионизации газа сказывается главным образом рентгеновское излучение, которое исходит от нашей звезды – Солнца. Кроме того, в небольшой степени ионизации данного слоя способствуют космические лучи, а также метеориты. Любопытно, что для данного слоя характерно снижение показателей по ионизации в ночное время суток.

Далее идет слой Е. Его границы располагаются примерно на высоте от 90 до 120 километров. Характерная особенность данного слоя – повышенная плотность плазмы. Здесь в качестве основного источника ионизации выступает коротковолновая солнечная радиация. Потому не приходится удивляться тому, что днем можно наблюдать повышение концентрации электронов. Ночью же напротив – эта концентрация существенно снижается. Поскольку в Е-слое наблюдается крайне высокая концентрация свободных носителей, этот слой играет существенную роль в распределении средневолновых и коротковолновых излучений.

Примечательно также, что вплоть до следующего слоя – слоя F – наблюдается постепенный рост температуры среды и концентрации электронов. Ближе к верхним частям F-слоя температура перестает расти, а концентрация электронов при этом постепенно снижается. В открытом же космосе данные показатели резко падают и доходят до своего возможного минимума в межпланетном пространстве.

Третий слой ионосферы – F слой. Он находится примерно на высоте от 120 до 140 километров. При этом максимум ионов приходится на высоту от 150 до 200 км. Через диффузию, образовавшаяся здесь плазма переносится вверх. По этой причине самая большая концентрация ионов и электроном наблюдается примерно на высотах от 250 до 400 километров. До 1 000 км можно наблюдать самую большую концентрацию так называемых легких ионов кислорода. С увеличением же высоты происходит повышение концентрации ионов водорода, а в небольшой концентрации можно наблюдать ионы гелия.

Данный слой также может отражать радиоволны, что дает возможность, в свою очередь, передавать через слой F коротковолновые радиосигналы на максимально большие расстояния. Если речь идет о волнах с частотой менее 10 МГц, то стабильность их передачи не будет зависеть от солнечной активности.

Формирование северного сияния

Многим наверняка известно, что именно в ионосфере формируется красивейшее явление природы – так называемое северное сияние. Так как ионосфера не препятствует прохождению ультрафиолетовых лучей (более того, она сама является результатом действия этих лучей), то они способствуют возникновению всевозможных сияний. В том числе, и самого знаменитого – северного. Происходит бомбардировка заряженными частицами верхних слоев ионосферы, в результате чего и возникает характерное красивое свечение.

Однако северное сияние отнюдь не является главным. Некоторые виды сияний начинают формироваться в результате очень сложного возмущения электромагнитного поля Земли. Происходит это нередко перед землетрясениями. Поэтому ученые пристально следят за такими видами сияний с целью прогнозирования подобного рода катастроф.

Значение ионосферы

Важно, что ионосфера задерживает различные виды ультрафиолетового излучения, которое могло бы нанести вред живым организмам на планете. Остаточное ультрафиолетовое излучение не приносит ущерба ни человеку, ни животным. Таким образом, ионосфера – важнейшее условие для поддержания жизни на планете Земля.

Ионосфера, как уже упоминалось, является средой для распространения некоторых видов радиоволн. Таким образом, она дополнительно служит и радиосвязи на длинные расстояния.

Считается, что именно в ионосфере происходит формирование электромагнитных бурь, которые могут оказывать влияние на самочувствие метеозависимых людей. Происходит изменение самочувствия у них как раз из-за воздействия на атмосферу Земли солнечных вспышек. Стопроцентного научного подтверждения данное явление пока еще не получило. Но медики указывают на статистические данные, которые однозначно показывают зависимость между ухудшением самочувствия людей и формированием магнитных бурь, вспышками на Солнце.

Исследование ионосферы Земли – сегодня одна из важнейших научных задач. И дело здесь не только в необходимости проведения фундаментальных исследования, но и в сугубо практических целях. Ведь ионосфера способствует распространению радиоизлучения, потому исследование физики космической плазмы, исследование нестационарных и неоднородных структур высокоширотных слоев ионосферы служат и ряду исключительно практических задач. К примеру, корректное применение спутниковых навигационных систем и обеспечение стабильной связи и навигации в Арктике.

Надо сказать, что исследования эти начались далеко не вчера. Более того, за открытие слоя F несколько десятилетий назад была вручена Нобелевская премия.

Сегодня все в мире понимают необходимость проведения исследовательских работ в области изучения ионосферы, поэтому государствами выделяются крупные денежные суммы на данные нужды.

Существует даже версия того, что, оказывая воздействие на ионосферу, можно ни больше, ни меньше, а управлять погодой и стихийными бедствиями. Однако стопроцентно научного подтверждения данная точка зрения также пока не нашла.

Однако не подлежит сомнению то, что ионосфера является важнейшей материей, без которой не только невозможны многие привычные нам виды радиосвязи, но и вообще жизнь на Земле.

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Источник

Какие слои атмосферы называют ионосферой

На высотах 50-1000 км над поверхностью Земли в пределах атмосферных слоев мезосфера, термосфера и экзосфера, под воздействием космических лучей, в-первую очередь ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, происходит ионизация воздуха — эндотермический процесс образования ионов из нейтральных атомов или молекул. Эта часть атмосферы носит название ионосфера. Область атмосферы, лежащая ниже ионосферы носит название нейтросферы, т.к. содержание положительно и отрицательно заряженных частиц в ней равно.

Ионосфера была обнаружена в начале 20 века, когда экспериментальным путём двумя группами ученых: англичанами Е.Эпплтоном и М. Барнетом и американцами Г.Брейтом и М. Тьювом было установлено существование на высотах от 50 км. слоя, отражающего радиоволны. Слой этот, получивший название «слой Хевисайда-Кеннелли» известен нам как слой E ионосферы.

В 30-е годы были начаты систематические наблюдения состояния ионосферы.

Сегодня известно, что отражение радиоволн обратно к Земле происходит от ионизированного газа, благодаря чему возможно установление радиосвязи. Волны длиной более 20 м вообще не могут пройти сквозь ионосферу: они отражаются уже электронными слоями небольшой концентрации в нижней части ионосферы. Средние и короткие радиоволны отражаются вышележащими слоями. Кроме отражения радиоволны испытывают в ионосфере поглощение и преломление.

От степени ионизации окружающего воздуха зависит электропроводность атмосферы. Поэтому в ионосфере электропроводность воздуха в 10 12 раз больше, чем у земной поверхности.

Ионосфера не однородна: в ней выделяются 3 слоя с максимальной ионизацией: D, E и F. Но и в промежутках между этими слоями степень ионизации атмосферы остаётся очень высокой. Часто возникают обширные спорадические скопления электронов, которые носят название электронных облаков.

Самый нижний из ионосферных слоев — слой D. Его границы лежат между 60 и 90 км. над поверхностью Земли. Ионизация воздуха в слое D выражена слабо.

Ионизация вызвана рентгеновским излучением Солнца. Небольшой вклад вносят сгорающие на этих высотах в атмосфере метеориты, космические лучи и частицы земной магнитосферы.

Слой D непостоянен. Максимальная степень ионизации воздуха приходится на светлое время суток, когда излучение Солнца максимально. В полярных регионах Земли в результате солнечных протонных событий (выбросы протонов, испускаемых Солнцем, ускоренных до очень высоких энергий либо во время солнечных вспышек либо потрясений, связанных с выбросами корональной массы) ионизация слоя D может достигать необычайно высокого уровня. Подобные события в нижней ионосфере получили название «полярная шапка поглощения». В это время на срок от 24 до 48 часов происходит значительное улучшение поглощения радиосигналов, посылаемых над полярными регионами, что способствует покрытию радиовещанием огромных площадей.

В тёмное время суток остаточная ионизация слоя связана с воздействием галактических космических лучей. Иногда ионизация и вовсе прекращается.

Второй слой ионосферы — Слой E. Нижняя граница слоя E проводится по верхней границе нижележащего слоя D. Верхняя — на высоте 120 км.

На высотах 100-110 км иногда возникают обширные прослойки или облака с повышенной степенью ионизации, площадью до сотен квадратных километров. Это т.н. слой Es или спорадический E. Для этого слоя характерна высокая концентрации электронов (ne

10 5 см 3 ). Толщина и длительность существования слоя незначительны, однако в районе экватора он присутствует почти постоянно, в средних широтах летом отмечается с редкими перерывами каждый день, в высоких же широтах появляется нерегулярно ночью.

Электронные облака слоя Es могут перемещаться под воздействием атмосферных приливов со скоростями до 250 км/час.

Слои E и Es оказывают значительное влияние на распространение средних и коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы. При определенных условиях отражаются даже радиоволны с частотами в 50 МГц.

Самым верхним слоем ионосферы является слой F. В настоящее время этим слоем называют всю ионосферу, лежащую выше 130-140 км. В этом слое на высотах 150-200 км наблюдается максимальная степень ионизации воздуха в пределах всей земной атмосферы. Однако, в результате диффузии заряженные частицы из этой области проникают на значительные расстояния вверх и вниз.

Состоит слой F из атомарного кислорода, протонов водорода и ионов гелия, образующихся под воздействием солнечной радиации.

В пределах верхнего ионосферного слоя происходят такие интересные явления как полярные сияния и свечение ночного неба, а также резкие колебания магнитного поля — ионосферные магнитные бури. Все 3 явления зависят от действия солнечного ветра и поэтому испытывают существенные колебания.

Источник

Ионосфера Земли

Ионосферой называют сильно ионизированный вследствие воздействия космического излучения слой атмосферы Земли. Он не имеет чётких границ, и вообще, является частью других атмосферных слоёв. Можно сказать, что ионосфера находится на высотах 60-1000 км, потому что именно на таких высотах и имеется ионизированный воздух. Однако, большая часть её находится в термосфере (около 80%).

Структура ионосферы

В зависимости от силы воздействия солнечного излучения на атмосферный слой, а также его характеристик, воздух ионизируется по-разному. Так, бывает он слабо ионизированным, сильно ионизированным, ну и средне ионизированным. Из-за этого факта выделяют 3 слоя ионосферы.

Слой D.
Обладает слабой ионизацией воздуха, а в ночное время и вовсе не существенным, поскольку ночью степень ионизация сильно снижается. Находится на высотах 60-90 км над уровнем моря.

Слой Е.
Простирается от 90 км до 120-130 км. Наблюдается в нём средняя по силе ионизация, и также в ночное время её степень заметно понижается. Его также называют слоем Кеннелли — Хевисайда, поскольку они работали над его изучением и первыми добились заметных результатов в этом.

Слой F.
Простирается от 130 км до верхней границы ионосферы (примерно 1000 км). Воздух в нём является сильно ионизированным.

Значение ионосферы

Термосфера
Своё название, вероятно, Термосфера получила благодаря высокой температуре воздуха атмосферного слоя. Она составляет немногим более тысячи градусов.

Источник

Земля — дом наш

О нашей планете, ее рождении, строении и многом другом

Строение ионосферы Земли

Атмосфера Земли содержит ряд областей, которые имеют относительно большое количество электрически заряженных атомов и молекул. Эти области все вместе называют ионосферой.

Высокоэнергетические рентгеновское и ультрафиолетовое излучения постоянно сталкиваются с молекулами и атомами газа в верхних слоях атмосферы Земли. Некоторые из этих столкновений выбивают электроны из атомов и молекул, создавая электрически заряженные ионы (атомы или молекулы с отсутствующими электронами) и свободные электроны.

Эти электрически заряженные ионы и электроны движутся и ведут себя иначе, чем нормальные, электрически нейтральные атомы и молекулы. Области с более высокими концентрациями ионов и свободных электронов встречаются на нескольких разных высотах и ​​известны как ионосфера.

Строение ионосферы

Существует три основных области ионосферы, которые называются D-слоем, E-слоем и F-слоем. Эти регионы не имеют четких границ, а высоты, на которых они находятся, меняются в течение дня и от сезона к сезону. Область D является самой низкой, начиная примерно с 60 или 70 км над землей и простирается вверх примерно до 90 км. Далее по высоте находится область E, начинающаяся примерно на 90 или 100 км и простирающаяся до 120 или 150 км. Самая верхняя часть ионосферы, область F, начинается примерно на 150 км и простирается далеко вверх, иногда до 500 км над поверхностью нашей планеты.

Области ионосферы не считаются отдельными слоями, такими как более знакомые тропосфера и стратосфера. Они представляют собой ионизированные области, встроенные в стандартные атмосферные слои. Область D обычно образуется в верхней части мезосферы, в то время как область E обычно появляется в нижней термосфере, а область F находится в верховьях термосферы.

Высота, доля ионизированных частиц и даже существование различных областей ионосферы изменяется во времени. Ионосфера сильно отличается в дневное и ночное время. В течение дня рентгеновское излучение ультрафиолетового света от Солнца непрерывно обеспечивает энергию, которая выбивает электроны из атомов и молекул, создавая непрерывный запас ионов и свободных электронов. В то же время некоторые из ионов и электронов сталкиваются и воссоединяются, образуя нормальные, электрически нейтральные атомы и молекулы.

В течение дня создается больше ионов, чем разрушается, поэтому количество ионов в трех областях увеличивается. Ночью при отсутствии солнечного света начинается процесс рекомбинации, и количество ионов уменьшается. В течение большинства ночей область D полностью исчезает, а область E ослабевает по мере того, как количество ионов в этом слое уменьшается. Каждое утро, когда солнечное рентгеновское излучение и ультрафиолетовое излучение возвращаются, области D и E заполняются ионами. Область F с наибольшей высотой сохраняется в течение ночи, но обычно распадается на верхнюю часть F₂ и нижний слой F₁ в течение дня.

До того, как связь через спутники стала распространенной, операторы систем радиосвязи часто использовали ионосферу для расширения диапазона своих передач. Радиоволны обычно распространяются по прямым линиям, поэтому, если высокая передающая башня не может «увидеть» верхнюю часть приемной башни, искривление Земли ограничивает диапазон радиопередач станциями, которые находятся за горизонтом. Однако некоторые частоты радиоволн отражаются от электрически заряженных частиц в определенных ионосферных слоях. Радиосвязь в то время часто использовала преимущества этого явления, отражая радиоволны от «неба», чтобы расширить диапазон сигналов. Радистам приходилось учитывать постоянные изменения в ионосфере, особенно сдвиги или исчезновение слоев днем ​​и ночью, чтобы эффективно использовать эти зеркальные отражения радиоволн.

Области ионосферы могут поглощать или ослаблять радиосигналы, или они могут изгибать радиоволны, а также отражать сигналы, как описано выше. Конкретное поведение зависит как от частоты радиосигнала, так и от характеристик вовлеченной области ионосферы. Поскольку спутники Глобальной системы определения местоположения (GPS) используют радиосигналы для определения местоположения, точность GPS может быть значительно снижена, когда эти сигналы изгибаются при прохождении через ионосферные регионы. Аналогично, радиосвязь может быть прервана, если используемая частота является такой, что слой ионосферы гасит ее или полностью поглощает, что приводит к ослаблению сигнала или даже полной потере связи Ученые постоянно измеряют и производят компьютерные модели постоянно меняющейся ионосферы, чтобы люди, отвечающие за радиосвязь, могли предвидеть сбои.

Ученые по-разному используют радиоволны для исследования и мониторинга невидимой ионосферы. Различные радиоантенны и радиолокационные системы, как на земле, так и на спутниках, используются для мониторинга постоянно изменяющейся ионосферы. Радио антенны «прослушивают» радиосигналы, генерируемые самой ионосферой, радиолокационные системы обрабатывают сигналы разных слоев, а приемопередатчики, посылая сигналы через ионосферу, определяют, насколько эти сигналы ослаблены или перенаправлены.

Наряду с суточными колебаниями в ионосфере, существуют также сезонные и долгосрочные изменения в этой сложной области ионосферы. В разных широтах тепло и прохладно в зависимости от времени года, поскольку интенсивность солнечного света меняется от места к месту из-за наклона земной оси. Точно так же ионосфера изменяется в зависимости от сезона по мере того, как местоположение пика интенсивности солнечных рентгеновских лучей и ультрафиолетового излучения, которые управляют скоростью образования ионов, перемещается по земному шару.

Сезонные изменения в химическом составе атмосферы также играют роль, влияя на скорость рекомбинационных событий, которые удаляют ионы из атмосферы. В более долгосрочной перспективе 11-летний цикл солнечных пятен оказывает сильное влияние на верхние слои атмосферы, включая ионосферу. Яркость Солнца в видимом диапазоне длин волн изменяется менее чем на 0,1 процента между верхней и нижней точками цикла солнечных пятен.

Тем не менее, рентгеновское излучение и ультрафиолетовое излучение Солнца (УФ) меняются гораздо больше в течение всего солнечного цикла и колеблются в 10 и более раз. Поскольку эти рентгеновские лучи и УФ-излучение контролируют скорость образования ионов, которые производят ионосферу, большие изменения в этих типах излучения приводят к большим изменениям в плотности ионов в областях ионосферы. Кроме того, большие геомагнитные бури, вызванные солнечными вспышками и выбросами корональной массы от Солнца, могут создавать серьезные временные разрушения в ионосфере.

Источник