Ионизация атмосферы — это процесс образования ионов и свободных электронов в результате воздействия различных факторов на молекулы и атомы атмосферного газа. Она играет ключевую роль в формировании электрических свойств атмосферы, в частности, её электропроводности, а также влияет на распространение радиоволн, формирование полярных сияний, грозовых процессов и других явлений.
С физической точки зрения, ионизация — это процесс удаления одного или нескольких электронов из атома или молекулы, в результате чего образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Возможна также обратная реакция — рекомбинация, при которой ион и электрон вновь соединяются, образуя нейтральную частицу.
Различают следующие основные механизмы ионизации атмосферы:
Ионизация в атмосфере происходит под действием как внешних, так и внутренних источников.
Внешние источники:
Внутренние источники:
Распределение степени ионизации в атмосфере крайне неравномерно и зависит от высоты, солнечной активности, времени суток, геомагнитных условий и метеорологических факторов.
Тропосфера и стратосфера (0–50 км): В этих слоях атмосферы уровень ионизации невелик. Основным источником ионизации здесь являются радиоактивные изотопы и вторичное космическое излучение. Средняя плотность ионов составляет ~10³–10⁴ см⁻³. Уровень ионизации увеличивается с высотой до пика в области озонового слоя (~25 км), а затем снова возрастает в мезосфере.
Мезосфера и термосфера (50–500 км): На высотах 60–80 км происходит интенсивная ионизация за счёт солнечного ультрафиолета. В диапазоне 100–400 км располагается ионосфера, где плотность ионов может достигать 10⁶–10⁷ см⁻³. Здесь формируются основные ионосферные слои: D, E и F, каждый из которых имеет свои особенности по плотности и динамике.
Экзосфера (>500 км): На этих высотах плотность воздуха резко снижается, но остаются отдельные ионизированные частицы. Ионизация здесь поддерживается в основном солнечным излучением и потоками частиц солнечного ветра.
Химический состав ионов зависит от высоты и преобладающих молекул.
Ионизация напрямую влияет на электропроводность атмосферы. В области с высокой концентрацией ионов и электронов (например, в ионосфере) электрические токи могут протекать с меньшими сопротивлениями. Электропроводность атмосферы разделяется на:
Электропроводность возрастает с высотой, достигая максимума в области ионосферы. Уровни проводимости также варьируются в зависимости от времени суток и солнечной активности.
Ионосфера разделяется на несколько слоёв:
Слой D (50–90 км): Характеризуется слабой ионизацией, активен только днём, играет роль в затухании радиоволн НЧ и СЧ диапазонов.
Слой E (90–140 км): Более выраженная ионизация, особенно при повышенной солнечной активности. Обеспечивает отражение радиоволн СЧ и НЧ диапазонов.
Слой F (140–400 км): Состоит из подслоёв F1 и F2. Обладает наибольшей плотностью электронов, особенно в слое F2, который сохраняется даже ночью. Критически важен для распространения радиосигналов КВ диапазона.
Ионизация в ионосфере находится в тесной зависимости от солнечной активности. В периоды солнечных максимумов усиливается ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, возрастает плотность ионов и электронов, расширяются ионосферные слои. Происходят всплески ионизации (солнечные вспышки), которые могут вызывать радиопомехи и даже отключения радиосвязи.
Также во время магнитных бурь, вызванных корональными выбросами массы и солнечным ветром, усиливаются токи в ионосфере, искажается геомагнитное поле, что сказывается на точности работы навигационных систем и радиосвязи.
Полярные сияния представляют собой яркие световые явления, возникающие при взаимодействии частиц солнечного ветра с молекулами верхней атмосферы в областях полюсов. Эти частицы (главным образом электроны) при столкновении с атомами кислорода и азота возбуждают их, а при возвращении в основное состояние излучается фотон — наблюдаемый как свечение.
Процессы, вызывающие полярные сияния, сопровождаются интенсификацией ионизации и резким увеличением плотности электронов в локальных областях.
Грозовые облака характеризуются сильным вертикальным распределением зарядов. При достижении критического электрического поля (~3×10⁶ В/м) происходит пробой воздуха — молния. В канале молнии создаётся плазма с температурой более 20 000 K, ионизация достигает предела.
Ионизация, возникающая в результате грозовой деятельности, влияет на локальную электропроводность атмосферы и может создавать короткоживущие пути для протекания токов между различными уровнями атмосферы и поверхностью Земли.
Атмосфера, поверхность Земли и ионосфера образуют замкнутую электрическую цепь. Ионизация обеспечивает наличие токопроводящих путей между ионосферой и поверхностью, особенно через грозовые облака и электропроводный воздух. В среднем по планете потенциал ионосферы по отношению к поверхности Земли составляет около 250–300 кВ. Глобальная электрическая цепь поддерживается совокупной деятельностью около 2000 гроз на Земле в любой момент времени.
Для оценки степени ионизации используются различные методы:
Полученные данные используются для прогнозов радиоусловий, предупреждений о магнитных бурях, оценки радиационной обстановки и др.
Современные исследования указывают на возможную связь между уровнем ионизации атмосферы и микрофизикой облаков, скоростью образования аэрозольных частиц, а также процессами конденсации. Предполагается, что вариации космического излучения могут влиять на облачность и, в конечном счёте, на климат, однако этот механизм остаётся предметом активных исследований и научных дискуссий.