Ионосфера

ИОНОСФЕРА (от ионы и сфера), часть атмосферы Земли с высокой концентрацией (более 1-10 см^-3) свободных электронов и ионов, энергия которых меньше 1-2 эВ. Электроны, ионы и нейтральные частицы ионосферы образуют ионосферную плазму с достаточно высокой электрической проводимостью. Нижняя граница ионосферы расположена на высоте около 50-70 км над уровнем моря, верхняя граница ионосферы может достигать нескольких десятков тысяч километров. Только благодаря ионосфере возможна радиосвязь на большие расстояния через ионосферный волновод. Влияние ионосферы на распространение радиоволн обусловлено в основном взаимодействием радиоволн со свободными электронами, концентрация которых в ионосферной плазме определяет границы ионосферы. Так, ниже 50 км в атмосфере практически отсутствуют свободные электроны, хотя содержание ионов значительно (смотри Ионы в атмосфере).

Первые предположения о существовании на больших высотах в атмосфере проводящего слоя высказывались в связи с исследованиями магнитного поля Земли и атмосферного электричества (К. Гаусс, 1839; У. Томсон, 1860; английский учёный Б. Стюарт, 1878). Именно наличием такого слоя, отражающего радиоволны, американские исследователи А. Кеннелли и О. Хевисайд почти одновременно (1902) объяснили экспериментально установленную возможность передачи радиосигналов на большие расстояния. В 1923 году М. В. Шулейкин на основе анализа данных о распространении радиоволн пришёл к выводу о существовании в атмосфере не менее двух таких слоёв. Однако только эксперименты английских исследователей Г. Брейта и М. Тьюва, Э. Эплтона и М. Барнетта, опубликованные почти одновременно в 1925 году, дали прямые доказательства существования ионосферы. Брейт и Тьюв применяли метод вертикального импульсного зондирования (высоты отражения радиоволн определялись по времени запаздывания отражённых сигналов относительно сигналов, излучённых передатчиком). Термин «ионосфера» предложил английский учёный Р. Ватсон-Ватт в 1926. В том же году Эплтон и Барнетт обосновали предположение о том, что отражение радиоволн от ионосферы связано в основном со свободными электронами. В 1931 году С. Чепмен построил теорию простого слоя, приближённо описывающую свойства ионосферы. Эти и другие исследования, включая работы советских учёных М. А. Бонч-Бруевича, С. И. Крючкова, А. Н. Щукина, явились фундаментом для дальнейших исследований ионосферы.

Структура и состав ионосферы. По высоте ионосферу принято разделять на области (рис.): D (около 50-90 км над уровнем моря), Е (около 90-150 км) и F. Область F подразделяют на области F1 (около 150-200 км) и F2 (около 200-1000 км). Выше области F2 расположена так называемая протоносфера. В каждой из областей D - F2 может быть выделен слой относительно высокой концентрации электронов n_е: например, так называемый слой Е внутри области Е. Эти слои необязательно характеризуются отчётливым максимумом концентрации, а слой F1 ночью отсутствует. Наиболее высокая концентрация электронов в ионосфере наблюдается в максимуме слоя F2, где n_е порядка 10⁵-10⁶ см^-3. Иногда слой F2 называют просто слоем F. Всю область ионосферы выше максимума слоя F2 называют внешней ионосферой, где n_е уменьшается с высотой.

Зависимость концентрации электронов в атмосфере от высоты на средних широтах в равноденствие при средней солнечной активности.

Области ионосферы различаются по ионному составу. Область D, кроме ионов NO⁺ и O⁺₂, содержит положительные кластерные ионы [Н⁺(Н₂O)_n, NO⁺(H₂O)_n, NO⁺(CO₂) и др.] и отрицательные ионы [NO^-₃, CO^-₃, NO^-₃(Н₂O) и др.]. Выше области D в ионосфере преобладают однократно заряженные положительные ионы и n_е практически равна суммарной концентрации ионов. В областях Е и F1 преобладают ионы NO⁺ и O⁺₂. Кроме того, на высотах области Е часто возникают нерегулярные узкие слои - так называемые спорадические слои Es, в которых преобладают ионы металлов метеорного происхождения (Fe⁺, Mg⁺, Na⁺ и др.), а n_е может превышать фоновый уровень на порядок и более. В области F2 основными ионами являются О⁺, в протоносфере - Н⁺.

Нейтральный состав ионосферы различен на разных высотах. В областях D, Е и F1 преобладают молекулы N2 и О2, в области F2 - атомы О, выше этой области - атомы Не и Н. Ниже примерно 1000 км суммарная концентрация нейтральных частиц намного больше n_е и ионосферная плазма является слабоионизованной. Температуры электронов и ионов увеличиваются с высотой: если ниже 100-150 км они почти не отличаются от температуры нейтральных частиц, составляющей 200-300 К, то в протоносфере могут достигать 10⁴ К.

Образование ионосферы. В дневные часы образование ионосферы связано в основном с ионизацией атмосферы солнечным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением. Вносят вклад в ионизацию также космические лучи. Каждый тип ионизирующего излучения в зависимости от своей проникающей способности оказывает наибольшее действие на атмосферу в определённой области высот. Так, в области D излучение Солнца с длиной волны λ = 121,6 нм (линия Лайман-альфа) ионизует молекулы NO, присутствующие в атмосфере в малом количестве, а жёсткое рентгеновское излучение (λ < 1 нм) и космические лучи ионизуют молекулы О₂ и N₂. Выше области D преобладает ионизация основных составляющих атмосферы солнечным УФ-излучением. В области Е ионизуются в основном молекулы О₂, в области F1 - молекулы N₂, в области F₂ - атомы О. Дополнительным источником ионизации атмосферы на высотах области Е является мягкое рентгеновское излучение (λ= 1-10 нм).

Концентрация заряженных частиц ионосферы определяется балансом между процессами ионизации, рекомбинации, диффузии и дрейфа, относительный вклад которых зависит от высоты, географической широты, времени суток и других условий. На средних широтах днём в ионосфере ниже максимума слоя F2 устанавливается равновесие между процессами ионизации и рекомбинации. На больших высотах существенное влияние на концентрацию заряженных частиц оказывает диффузия ионосферной плазмы. Образование максимума слоя F2 обусловлено конкуренцией ионизационно-рекомбинационных процессов и диффузии. Существование ионосферной плазмы в протоносфере связано именно с диффузией плазмы из области F2 вдоль геомагнитного поля. В результате этой диффузии на средних и низких широтах формируется плазмосфера - область протоносферы, целиком заполненная ионосферной плазмой, в которой n_е порядка 10²-10⁴ см^-3. В экваториальной плоскости внешняя граница плазмосферы, называемая плазмопаузой, обычно расположена на высотах 20-30 тысяч км. Выше плазмопаузы значение n_е на 1-2 порядка меньше, чем в плазмосфере.

В ночные часы, несмотря на отсутствие прямого ионизирующего излучения Солнца, концентрация заряженных частиц в ионосфере остаётся значительной. На высотах области F2 высокие значения n_е обеспечиваются относительно низкой скоростью рекомбинации, а также диффузией плазмы из плазмосферы. Важным ночным источником ионизации атмосферы служит рассеянное верхними слоями атмосферы (так называемой геокороной) солнечное УФ-излучение, в основном в линиях 58,4 нм, 102,6 нм и 121,6 нм. По этой причине слой Е существует и ночью.

Приведённые выше характеристики ионосферы относятся преимущественно к средним широтам. В высоких широтах свойства ионосферы существенно иные, что обусловлено тесной связью между процессами в ионосфере и магнитосфере, например ионизацией атмосферы потоками электронов и ионов высоких энергий, высыпающихся из магнитосферы. Этот процесс наиболее интенсивен в так называемой авроральной области, которая обычно ограничена интервалом геомагнитных широт 67-80° и называется также зоной полярных сияний. Эти потоки частиц, как правило, нестационарны, поэтому характерной особенностью ионосферы авроральной области является сильная изменчивость n_е. Изучение полярных сияний позволяет получить информацию о связанных с ними процессах ионизации атмосферы.

Область Е называют также динамо-областью, поскольку в ней сосредоточены горизонтальные токи, ответственные за ряд изменений геомагнитного поля (смотри Земной магнетизм). В авроральной области горизонтальные токи, токи вдоль геомагнитного поля и токи в магнитосфере образуют замкнутую электрическую цепь. В высоких широтах крупномасштабные электрические поля в ионосфере максимальны. Дрейф плазмы в этих полях приводит к формированию ряда крупномасштабных структур слоя F2, которые отсутствуют на средних широтах.

Параметры ионосферной плазмы (концентрация, температура и др.) непрерывно изменяются. Различают регулярные изменения параметров ионосферы и их возмущения. К регулярным относят систематические изменения параметров ионосферы над данной точкой поверхности Земли, связанные с изменением времени суток, сезона и солнечной активности; к возмущениям - сильные отклонения параметров ионосферы от их регулярных значений.

Ионосферные возмущения. Вспышечные процессы на Солнце сопровождаются резким увеличением потока рентгеновского излучения и/или солнечных космических лучей (в основном протонов с энергиями свыше 10 МэВ), что, в свою очередь, может вызывать увеличение n_е в области D на 1-2 порядка. Содержание электронов в области D влияет на поглощение коротких радиоволн, поэтому увеличение n_е приводит к росту поглощения, вплоть до полного прекращения коротковолновой радиосвязи. Выше области D вспышечные процессы вызывают менее значительный рост n_е: до 1,5-2 раз в области Е и на 15-30% в областях F1 и F2.

Наиболее сильные изменения n_е на высотах областей Е, F1 и F2 наблюдаются в периоды магнитных бурь, обусловленных взаимодействием магнитосферы Земли с плотными высокоскоростными облаками плазмы солнечного ветра, которые возникают при так называемых корональных выбросах масс на Солнце. В эти периоды авроральная область расширяется, в результате чего при особо интенсивных бурях полярные сияния могут наблюдаться даже на широте Москвы. Потоки частиц высоких энергий, высыпающихся из магнитосферы в авроральную область, а также электрические токи и поля в этой области достигают максимальных значений, что приводит к резкому увеличению скорости ионизации и нагрева атмосферы. Нагрев атмосферы, в свою очередь, приводит к глобальному изменению системы ветров и состава атмосферы на ионосферных высотах. С этими процессами связано и глобальное перераспределение n_е во время магнитных бурь.

Лит.: Харгривс Дж.К. Верхняя атмосфера и солнечно-земные связи. Л., 1982; Ляцкий В. Б., Мальцев Ю. П. Магнитосферно-ионосферное взаимодействие. М., 1983; Кринберг И. А., Тащилин А. В. Ионосфера и плазмосфера. М., 1984; Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. М., 1988.