D-слой ионосферы¶

D-слой ионосферы — это самый нижний из основных слоёв ионосферы Земли, расположенный на высотах примерно от 50 до 90 км над поверхностью планеты. Он характеризуется относительно высокой концентрацией электронов, образующихся в основном за счёт ионизации молекул воздуха жёстким рентгеновским и ультрафиолетовым излучением Солнца, а также космическими лучами. D-слой играет ключевую роль в распространении радиоволн, особенно в диапазоне средних и коротких волн, оказывая на них преимущественно поглощающее действие.

¶История открытия и изучения

Существование нижнего ионизированного слоя было предсказано в начале XX века на основе наблюдений за распространением радиоволн. В 1925 году британские физики Эдвард Апплтон и Майлз Барнетт экспериментально подтвердили наличие отражающего слоя в ионосфере, который позже был назван E-слоем. Однако вскоре было обнаружено, что радиоволны определённых частот испытывают сильное затухание, что указывало на существование ещё более низкого слоя с высокой плотностью электронов. В 1930-х годах, в ходе систематических исследований ионосферы с помощью импульсных радиозондов, был выделен D-слой. Название «D» было присвоено ему по порядку буквенного обозначения слоёв ионосферы, введённому Апплтоном (A, B, C, D, E, F), где D-слой оказался ниже E-слоя. Детальное изучение его свойств стало возможным с развитием ракетных и спутниковых технологий во второй половине XX века.

¶Физические характеристики и образование

¶Высота и толщина

D-слой простирается от нижней границы ионосферы (около 50 км) до высоты примерно 90 км, где начинается E-слой. Верхняя граница D-слоя не является резкой и часто определяется как область, где концентрация электронов начинает резко возрастать. Толщина слоя может варьироваться в зависимости от времени суток, сезона и солнечной активности.

¶Ионизация

Основными источниками ионизации в D-слое являются:

Рентгеновское излучение Солнца (длины волн 1–10 нм), которое проникает на эти высоты и ионизирует молекулы азота (N₂) и кислорода (O₂).
Лайман-альфа излучение (121,6 нм) водорода, которое ионизирует окись азота (NO), присутствующую в малых концентрациях.
Галактические космические лучи, которые играют значительную роль в ионизации нижней части D-слоя (ниже 70 км), особенно в ночное время и в периоды минимума солнечной активности.

В результате ионизации образуются свободные электроны и положительные ионы. Концентрация электронов в D-слое относительно невелика по сравнению с вышележащими слоями и составляет от 10² до 10⁴ электронов на кубический сантиметр в дневное время. Ночью, из-за отсутствия солнечного излучения, ионизация резко падает, и D-слой практически исчезает.

¶Температура и состав

Температура в D-слое понижается с высотой от примерно 270 К (−3 °C) на нижней границе до около 180 К (−93 °C) на высоте 90 км. Состав атмосферы здесь в основном соответствует составу стратосферы и мезосферы: преобладают молекулярный азот (N₂) и кислород (O₂), а также присутствуют малые примеси, такие как озон (O₃), водяной пар (H₂O) и окись азота (NO).

¶Влияние на распространение радиоволн

D-слой оказывает наиболее существенное влияние на радиоволны в диапазонах средних (СВ) и коротких (КВ) волн.

¶Поглощение радиоволн

Основное свойство D-слоя — сильное поглощение радиоволн. Это связано с тем, что на этих высотах частота столкновений электронов с нейтральными молекулами воздуха очень высока (до 10⁶–10⁷ столкновений в секунду). При прохождении радиоволны электроны начинают колебаться, но из-за частых столкновений они передают энергию нейтральным частицам, что приводит к затуханию (поглощению) волны. Величина поглощения обратно пропорциональна квадрату частоты волны: чем ниже частота, тем сильнее поглощение. Поэтому длинные волны (низкие частоты) поглощаются почти полностью, а короткие волны (высокие частоты) проходят через D-слой с меньшими потерями.

¶Дневное и ночное распространение

Днём: D-слой хорошо выражен и сильно поглощает радиоволны средних и нижних коротких волн. Это объясняет, почему днём дальняя связь на средних волнах практически невозможна, а коротковолновые станции, работающие на низких частотах, слышны слабо.
Ночью: D-слой исчезает, и поглощение радиоволн резко уменьшается. Это позволяет средним волнам распространяться на большие расстояния за счёт отражения от E-слоя и F-слоя, что и обеспечивает ночной приём дальних радиостанций.

¶Отражение и преломление

Хотя D-слой в основном поглощает радиоволны, он также может частично отражать очень длинные волны (сверхдлинные, СДВ) и волны определённых частот в условиях сильной ионизации (например, во время солнечных вспышек). Однако для большинства практических радиосвязей D-слой рассматривается как поглощающая, а не отражающая среда.

¶Влияние солнечной активности и геофизических явлений

¶Солнечные вспышки

Во время мощных солнечных вспышек рентгеновское излучение резко возрастает, что приводит к внезапному усилению ионизации D-слоя. Это явление называется внезапным ионосферным возмущением (SID). В результате поглощение радиоволн в D-слое многократно возрастает, что может вызывать полное пропадание (блэкаут) коротковолновой радиосвязи на освещённой стороне Земли на время от нескольких минут до нескольких часов.

¶Полярные сияния и магнитные бури

В высоких широтах (в зонах полярных сияний) D-слой может испытывать дополнительную ионизацию за счёт вторжения энергичных частиц (электронов и протонов) из магнитосферы. Это приводит к образованию так называемого полярного D-слоя (или D-слоя авроральной зоны), который вызывает сильное поглощение радиоволн в полярных районах. Во время магнитных бурь это поглощение может усиливаться, нарушая радиосвязь на трассах, проходящих через высокие широты.

¶Сезонные и суточные вариации

Концентрация электронов в D-слое максимальна в летние месяцы и в дневное время, когда Солнце находится выше над горизонтом. Зимой и ночью ионизация минимальна. Эти вариации напрямую влияют на условия распространения радиоволн.

¶Методы исследования

Изучение D-слоя представляет сложность из-за его низкой высоты и высокой плотности атмосферы, что затрудняет использование спутников. Основные методы включают:

Радиозондирование: использование импульсных радиопередатчиков (ионозондов) для измерения высоты и концентрации электронов. Однако из-за сильного поглощения D-слой трудно зондировать с земли.
Ракетные зонды: запуск ракет с приборами для измерения концентрации электронов, ионного состава и температуры на высотах D-слоя.
Наземные приёмники: регистрация сигналов от мощных передатчиков (например, навигационных систем) для оценки поглощения в D-слое.
Спутниковые измерения: использование спутников для наблюдения за рентгеновским излучением Солнца и потоками частиц, влияющих на D-слой.

¶Прикладное значение

Понимание свойств D-слоя имеет практическое значение для:

Радиосвязи: прогнозирование условий распространения коротких и средних волн, особенно для авиационной, морской и военной связи.
Радионавигации: учёт поглощения сигналов в D-слое при работе наземных навигационных систем.
Радиоастрономии: D-слой ограничивает приём космического радиоизлучения на низких частотах, создавая так называемый «радиооконный» эффект.
Изучения солнечно-земных связей: D-слой является чувствительным индикатором солнечной активности и геомагнитных возмущений.

¶Интересные факты

Во время мощных солнечных вспышек поглощение в D-слое может быть настолько сильным, что радиоприёмники на коротких волнах перестают принимать какие-либо сигналы, наступает полное радиомолчание.
D-слой является единственным слоем ионосферы, который практически полностью исчезает ночью, что делает его уникальным объектом для изучения суточной динамики атмосферы.
В 1960-х годах проводились эксперименты по искусственному воздействию на D-слой с помощью мощных радиопередатчиков (например, проект HAARP), чтобы изучать возможность управления ионосферой.

¶Источники

Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. — М.: Наука, 1988.
Ратклифф Дж. А. Введение в физику ионосферы. — М.: Мир, 1975.
Hargreaves J. K. The Solar-Terrestrial Environment. — Cambridge University Press, 1992.
Davies K. Ionospheric Radio. — Peter Peregrinus Ltd., 1990.