Ионосфера и ее свойства

Ионосфера — это высоко расположенный слой атмосферы Земли, характеризующийся значительной степенью ионизации газов под воздействием солнечного излучения. Она простирается примерно от 60–80 км до 1000 км и более, являясь переходной областью между нейтральной атмосферой и плазменной оболочкой Земли — магнитосферой. Основное отличие ионосферы от нижележащих слоев заключается в присутствии большого количества свободных электронов и ионов, которые определяют ее электрические и радиофизические свойства.

Физические процессы и ионизация

Главным источником ионизации в ионосфере является ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, а также поток высокоэнергичных частиц солнечного ветра. При взаимодействии фотонов высокой энергии с молекулами и атомами атмосферных газов происходит фотоэффект:

  • молекула кислорода O2 или азота N2 поглощает фотон;
  • происходит выбивание электрона и образование положительного иона;
  • концентрация электронов изменяется в зависимости от высоты, времени суток и солнечной активности.

Существенную роль играет также вторичная ионизация, возникающая при столкновениях быстрых электронов с нейтральными молекулами. В ночное время ионизация уменьшается, однако процессы рекомбинации (соединение электронов и ионов) протекают медленно, что позволяет сохранять ионизацию на больших высотах.

Структура ионосферы

Ионосфера имеет несколько слоев, различающихся по степени ионизации и физическим свойствам.

  • Слой D (60–90 км) Является нижней частью ионосферы. Здесь ионизация сравнительно слабая и главным образом определяется воздействием солнечного излучения в диапазоне жёсткого ультрафиолета и рентгенов. Слой D сильно поглощает радиоволны длинных и средних волн, что объясняет ухудшение радиосвязи на этих частотах днём.

  • Слой E (90–140 км) Ионизация выше, чем в слое D. Образуется в результате воздействия ультрафиолетового излучения на молекулы кислорода. Слой E способен отражать короткие радиоволны, но его отражающая способность ограничена. В этом слое часто возникают так называемые “аномальные облака” ионосферы — слой Es (sporadic E), который может резко усиливать отражение радиоволн.

  • Слой F (140–1000 км) Самый важный для радиосвязи слой, в котором ионизация наиболее интенсивная. Делится на подслои:

    • F1 (около 150–200 км) — существует в дневное время и обусловлен фотоионизацией кислорода.
    • F2 (около 250–400 км и выше) — основной слой, сохраняющий высокую концентрацию электронов даже ночью. Его свойства сильно зависят от солнечной активности и геомагнитных возмущений. Именно слой F2 обеспечивает отражение коротких радиоволн на большие расстояния, включая межконтинентальную радиосвязь.

Электрические свойства

Ионосфера обладает свойствами проводящей плазмы. Электроны и ионы в ней подвижны, что делает возможным протекание электрических токов под действием электромагнитных сил.

Ключевые моменты:

  • Ионосфера взаимодействует с магнитным полем Земли, образуя токи ионосферы — в частности, токи Беркланда, связанные с полярными сияниями.
  • Сопротивление ионосферы зависит от высоты: в нижней части из-за частых столкновений с нейтральными молекулами оно высоко, а в верхней — значительно ниже.
  • Электропроводность различается по направлениям: параллельно магнитному полю она выше, чем поперёк.

Волновые процессы и радиосвязь

Одним из важнейших практических свойств ионосферы является её способность отражать электромагнитные волны. Радиоволны частотой до 30 МГц могут многократно отражаться между ионосферой и поверхностью Земли, обеспечивая связь на тысячи километров.

  • В дневное время усиленное поглощение в слое D ухудшает передачу длинных волн.
  • Вечером и ночью, при ослаблении слоя D, радиоволны распространяются дальше.
  • При возрастании солнечной активности (вспышки, корональные выбросы) резко изменяется концентрация электронов в слоях, что может приводить к полным “радиообрывам”.

Ионосферные возмущения

Ионосфера подвержена вариациям, связанным как с космическими, так и с земными процессами:

  • Суточные изменения — зависят от прихода солнечного света и изменяются в зависимости от местного времени.
  • Сезонные изменения — вызваны различием угла падения солнечных лучей и изменением длины дня.
  • Циклические изменения — связаны с 11-летним солнечным циклом активности.
  • Геомагнитные бури — вызваны потоками солнечного ветра, приводят к сильным возмущениям, изменению отражающих свойств ионосферы, появлению полярных сияний.

Влияние на атмосферные и геофизические процессы

Ионосфера играет ключевую роль в системе взаимодействия атмосферы, магнитосферы и солнечного ветра. В ней:

  • протекают процессы перераспределения энергии от Солнца к верхней атмосфере;
  • формируются полярные сияния;
  • происходит обмен частицами с магнитосферой;
  • зарождаются глобальные электрические цепи атмосферы.

Методы исследования ионосферы

Для изучения ионосферы применяются различные методы:

  • Ионозонды — радиолокационные установки, фиксирующие отражение зондирующих сигналов.
  • Спутниковые измерения — регистрация плотности плазмы, потоков частиц и электромагнитных волн.
  • Наземные наблюдения — изучение радиосвязи, полярных сияний, радиозатмений.
  • Ракетные эксперименты — измерение состава и параметров плазмы на больших высотах.
Оглавление