Ионосфера Земли

Ионосфера Земли — это верхняя часть атмосферы Земли, которая сильно ионизирована под воздействием солнечного электромагнитного излучения и корпускулярных потоков (солнечного ветра). Ионосфера простирается от высот примерно 50–60 км до нескольких тысяч километров, постепенно переходя в магнитосферу. Ключевой характеристикой ионосферы является наличие свободных электронов и ионов, которые влияют на распространение радиоволн, делая возможной радиосвязь на большие расстояния.

История открытия и изучения

Первые предположения о существовании проводящего слоя в верхней атмосфере высказывались в середине XIX века. В 1901 году Гульельмо Маркони осуществил первую трансатлантическую радиопередачу, что невозможно было объяснить прямолинейным распространением радиоволн. В 1902 году независимо друг от друга Артур Кеннелли и Оливер Хевисайд выдвинули гипотезу о существовании ионизированного слоя, отражающего радиоволны (слой Кеннелли — Хевисайда).

Экспериментальное подтверждение существования ионосферы было получено в 1924 году Эдвардом Эплтоном и Майлзом Барнеттом в Великобритании. Они измерили высоту отражающего слоя с помощью импульсного радиозондирования. За эти работы Эплтон получил Нобелевскую премию по физике в 1947 году. В СССР систематические исследования ионосферы начались в 1930-х годах под руководством Н. Д. Папалекси и Я. Л. Альперта.

С развитием ракетной и спутниковой техники в 1950–1960-х годах стало возможным прямое измерение параметров ионосферы с помощью приборов, установленных на высотных ракетах и искусственных спутниках Земли. Это позволило уточнить структуру, динамику и состав ионосферы.

Строение и слои

Ионосфера не является однородной; в ней выделяют несколько основных слоёв (областей), различающихся по высоте, концентрации электронов и характеру ионизации.

Слой D

Расположен на высотах 50–90 км. Ионизация здесь слабая, обусловлена в основном жёстким рентгеновским излучением Солнца и космическими лучами. Концентрация электронов минимальна (10²–10⁴ см⁻³). Ночью слой D практически исчезает. Этот слой сильно поглощает радиоволны средних и коротких волн, что ограничивает дальнюю радиосвязь в дневное время.

Слой E

Находится на высотах 90–150 км. Максимальная концентрация электронов — около 10⁵ см⁻³ днём, ночью падает до 10³–10⁴ см⁻³. Ионизация вызывается мягким рентгеновским и ультрафиолетовым излучением. Слой E способен отражать радиоволны средних и коротких волн, особенно в ночное время. В этом слое также наблюдаются спорадические образования (слой Es) — локальные области с аномально высокой плотностью электронов, возникающие под действием ветров и метеорных потоков.

Слой F

Наиболее мощный и важный для радиосвязи слой. В дневное время разделяется на два подслоя:

• F1 — на высотах 150–250 км (концентрация до 2–3×10⁵ см⁻³);
• F2 — на высотах 250–500 км (концентрация до 10⁶ см⁻³, максимум обычно около 300 км).

Ночью слои F1 и F2 сливаются в один слой F с концентрацией около 10⁵ см⁻³. Ионизация здесь обусловлена ультрафиолетовым излучением Солнца. Слой F обеспечивает отражение коротких радиоволн (диапазон 3–30 МГц) и является основой для дальней радиосвязи.

Внешняя ионосфера (протоносфера)

Выше 500–1000 км концентрация электронов постепенно падает, но остаётся значительной (до 10⁴ см⁻³ на высоте 1000 км). Здесь преобладают ионы водорода и гелия. Эта область переходит в магнитосферу и играет роль в распространении низкочастотных радиоволн.

Физические процессы

Ионизация

Основной источник ионизации — солнечное ультрафиолетовое (УФ) и рентгеновское излучение. Фотоны с энергией выше потенциала ионизации атомов и молекул (прежде всего кислорода и азота) выбивают из них электроны. Вторичными источниками являются поток солнечного ветра (особенно во время солнечных вспышек) и космические лучи.

Рекомбинация

Обратный процесс — захват свободного электрона положительным ионом. Скорость рекомбинации зависит от плотности частиц и температуры. Ночью, когда ионизация прекращается, концентрация электронов падает за счёт рекомбинации, особенно быстро в нижних слоях.

Диффузия и дрейф

Под действием гравитации, градиентов давления и электрических полей ионы и электроны перемещаются. В слое F важную роль играет амбиполярная диффузия — совместное движение заряженных частиц, стремящаяся выровнять их концентрацию. Ветры в нейтральной атмосфере также увлекают ионы, вызывая их дрейф.

Влияние на распространение радиоволн

Ионосфера обладает свойством преломлять и отражать радиоволны определённых частот. Это свойство используется для дальней радиосвязи.

Механизм отражения

Радиоволна, распространяясь в ионосфере, взаимодействует со свободными электронами. Показатель преломления ионосферы для радиоволн меньше единицы и зависит от электронной концентрации и частоты волны. При определённых условиях волна может полностью отразиться от слоя с достаточно высокой концентрацией электронов. Максимальная частота, которая ещё отражается от данного слоя при вертикальном зондировании, называется критической частотой.

Диапазоны волн

• Длинные и средние волны (частоты ниже 3 МГц) хорошо отражаются от слоя E ночью, но сильно поглощаются в слое D днём.
• Короткие волны (3–30 МГц) — основной диапазон для дальней связи. Они отражаются от слоя F и могут распространяться на тысячи километров за счёт многократных отражений между ионосферой и поверхностью Земли.
• Ультракороткие волны (выше 30 МГц) обычно проходят через ионосферу, не отражаясь, и используются для спутниковой связи. Однако при высоких концентрациях электронов (например, во время солнечных вспышек) возможно отражение и более высоких частот.

Ионосферные возмущения

Солнечная активность, магнитные бури, полярные сияния вызывают изменения в ионосфере, которые могут нарушать радиосвязь. Внезапные ионосферные возмущения (SID) возникают через несколько минут после солнечной вспышки и приводят к резкому поглощению радиоволн в слое D. Ионосферные бури, связанные с геомагнитными бурями, могут длиться несколько суток и вызывать как повышение, так и понижение критических частот.

Методы исследования

Ионосфера изучается как наземными, так и спутниковыми методами.

Наземные методы

• Вертикальное зондирование — импульсный радиолокатор (ионозонд) излучает короткие радиоимпульсы с изменяющейся частотой и регистрирует время их возвращения от различных слоёв. По ионограммам определяют высоту и критическую частоту слоёв.
• Наклонное зондирование — передатчик и приёмник разнесены на сотни и тысячи километров. Позволяет изучать условия распространения радиоволн на трассах.
• Некогерентное рассеяние — мощные радары (например, в Аресибо, Пуэрто-Рико) облучают ионосферу и анализируют слабый сигнал, рассеянный свободными электронами. Даёт информацию о температуре, плотности и составе ионосферы.

Спутниковые методы

• Радиозатменные измерения — приём сигналов спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС) на низкоорбитальных спутниках. Позволяет восстанавливать профиль электронной концентрации по трассе.
• Прямые измерения — установка на спутниках и ракетах зондов Ленгмюра, масс-спектрометров и других приборов для измерения концентрации ионов, электронов и их температуры.

Практическое значение

• Радиосвязь — обеспечение дальней радиосвязи в КВ-диапазоне, особенно в авиации, морском флоте, военных и аварийных службах.
• Навигация — ионосферные задержки сигналов спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС) требуют учёта и коррекции для достижения высокой точности.
• Прогнозирование космической погоды — мониторинг ионосферы необходим для предсказания радиопомех и геомагнитных бурь.
• Научные исследования — изучение ионосферы помогает понять процессы в верхней атмосфере, солнечно-земные связи и влияние космической среды на Землю.

Интересные факты

• В полярных областях ионосфера сильно возмущена вторжением энергичных частиц из магнитосферы, что вызывает полярные сияния и интенсивные ионосферные токи.
• Ионосфера Земли является естественной мишенью для активных экспериментов по нагреву (например, установка HAARP на Аляске, США; «Сура» в Нижегородской области, Россия). Эти эксперименты позволяют изучать искусственные ионосферные возмущения.
• Концентрация электронов в ионосфере меняется с 11-летним циклом солнечной активности: в максимуме цикла она в 2–3 раза выше, чем в минимуме.

Источники

• Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. — М.: Наука, 1967.
• Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера. — М.: Изд-во АН СССР, 1960.
• Davies K. Ionospheric Radio. — London: Peter Peregrinus Ltd., 1990.
• Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. — М.: Наука, 1988.
• Hargreaves J.K. The Solar-Terrestrial Environment. — Cambridge University Press, 1992.