Слой E

Слой E — это один из ионизированных слоёв верхней атмосферы Земли, расположенный в области ионосферы на высотах примерно от 90 до 130 километров. Характеризуется повышенной концентрацией свободных электронов и ионов, образующихся под действием солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучения, и играет ключевую роль в распространении радиоволн среднего и коротковолнового диапазонов.

История открытия и изучения

Существование проводящего слоя в верхней атмосфере было предсказано в 1902 году независимо друг от друга американским инженером Артуром Кеннелли и британским физиком Оливером Хевисайдом. Они предположили, что отражение радиоволн на большие расстояния объясняется наличием ионизированного слоя. Экспериментальное подтверждение существования этого слоя (впоследствии названного слоем Кеннелли — Хевисайда, или E-слоем) было получено в 1924 году британским физиком Эдвардом Апплтоном и его коллегой Майлзом Барнеттом. В ходе экспериментов по изменению частоты радиосигнала они зафиксировали отражение от высоты около 100 км, что и стало первым прямым доказательством существования E-слоя. В 1925 году Апплтон и Барнетт также обнаружили вышележащий слой F. Дальнейшие исследования, в том числе с помощью ракет и спутников, позволили детально изучить структуру, динамику и вариации E-слоя.

Физические характеристики и механизмы образования

Слой E образуется в результате ионизации нейтральных атомов и молекул атмосферы (преимущественно молекулярного кислорода O₂ и азота N₂) солнечным ультрафиолетовым излучением с длинами волн 100–200 нм и рентгеновским излучением. Основной процесс — фотоионизация, при которой фотон выбивает электрон из атома или молекулы. Концентрация электронов в E-слое днём достигает порядка 10⁵–10⁶ электронов на кубический сантиметр, а ночью падает в 10–100 раз из-за рекомбинации ионов с электронами.

Высота и толщина слоя непостоянны. В среднем он располагается на высоте 110 км, но может колебаться в пределах 90–130 км в зависимости от времени суток, сезона, широты и солнечной активности. Слой E характеризуется относительно резкой нижней границей и более плавным переходом к вышележащему слою F.

Спорадический слой E (Es)

Особый интерес представляет спорадический слой E (Es) — тонкий, но очень плотный слой ионизации, возникающий спорадически (нерегулярно) на высотах 90–120 км. Его электронная концентрация может в десятки и сотни раз превышать концентрацию обычного E-слоя. Причины образования Es до конца не выяснены, но основными гипотезами являются:

• Сдвиговый ветер: вертикальные сдвиги ветра в нижней термосфере создают области сжатия ионизированного газа.
• Метеорная ионизация: при сгорании метеоров в атмосфере образуются ионы металлов (железа, магния, кальция), которые могут формировать долгоживущие слои.
• Полярные сияния: в высоких широтах частицы солнечного ветра вызывают интенсивную ионизацию.

Спорадический слой E наиболее часто наблюдается в летние месяцы в средних широтах, а также в полярных регионах. Он может быть как локальным, так и распространяться на большие площади.

Влияние на распространение радиоволн

Слой E является основным отражающим слоем для радиоволн коротковолнового (КВ) диапазона (частоты 3–30 МГц) и частично для средневолнового (СВ) диапазона. Механизм отражения основан на рефракции: радиоволна, проходя через ионизированную среду, постепенно искривляется, и при определённых условиях (частота волны меньше критической частоты слоя) может вернуться на Землю. Это позволяет осуществлять радиосвязь на расстояния в тысячи километров за счёт многократных отражений между E-слоем и поверхностью Земли.

Критическая частота

Критическая частота f₀E — это максимальная частота радиоволны, которая при вертикальном зондировании отражается от E-слоя. Она зависит от электронной концентрации и обычно составляет 3–5 МГц днём и падает до 0,5–1 МГц ночью. Для спорадического слоя Es критическая частота может достигать 10–20 МГц и даже выше.

Особенности для разных диапазонов

• Короткие волны (КВ): E-слой обеспечивает основную дальнюю связь. Днём, когда слой наиболее плотный, он отражает волны с частотами до 10–15 МГц. Ночью связь возможна на более низких частотах. Спорадический слой Es может создавать непредсказуемые каналы связи на частотах до 50–100 МГц, что используется радиолюбителями.
• Средние волны (СВ): Днём E-слой поглощает средние волны, что ограничивает дальность вещания. Ночью, когда ионизация падает, отражение от E-слоя позволяет принимать сигналы на больших расстояниях.
• Ультракороткие волны (УКВ): Обычно проходят через E-слой без отражения, но при наличии спорадического слоя Es возможна связь на расстояния до 2000–3000 км на частотах до 144 МГц.

Методы исследования

Основные методы исследования E-слоя включают:

• Вертикальное зондирование (ионозонды): радиолокационные станции, излучающие импульсы с изменяющейся частотой. По времени задержки отражённого сигнала определяют высоту и критическую частоту слоя.
• Наклонное зондирование: измерение характеристик сигнала, прошедшего по трассе между двумя пунктами.
• Ракетные и спутниковые измерения: прямые измерения концентрации электронов, ионного состава, температуры и плотности атмосферы на высотах E-слоя.
• Радиоастрономические методы: наблюдение за поглощением радиоизлучения космических источников при прохождении через ионосферу.

Практическое значение

Слой E имеет критическое значение для:

• Радиосвязи: обеспечение дальней связи на коротких и средних волнах, особенно в авиации, морском флоте, службах спасения и радиолюбительской связи.
• Радионавигации: влияние на точность систем, использующих ионосферное распространение (например, некоторые типы радиомаяков).
• Радиолокации: отражение от E-слоя может создавать помехи (ложные цели) для радиолокационных станций, работающих на низких частотах.
• Прогнозирования распространения радиоволн: модели ионосферы, включающие параметры E-слоя, используются для составления прогнозов радиосвязи.

Связь с другими слоями ионосферы

Ионосфера Земли традиционно делится на несколько слоёв: D (60–90 км), E (90–130 км), F (130–800 км, подразделяется на F1 и F2). Слой E является промежуточным между нижним D-слоем, который сильно поглощает радиоволны, и верхним F-слоем, который является основным отражающим слоем в ночное время и для более высоких частот. Взаимодействие между слоями сложное: например, спорадический слой Es может экранировать слой F, а ночью, при исчезновении D-слоя, E-слой становится основным для низкочастотных диапазонов.

Интересные факты

• Название «слой E» происходит от буквы, присвоенной Апплтоном второму обнаруженному слою (первый был назван E, а второй — F). Позже был обнаружен ещё более низкий слой, названный D.
• Спорадический слой E особенно активен в летние месяцы в Северном полушарии, что связано с особенностями циркуляции атмосферы.
• Ионы металлов, образующиеся при сгорании метеоров, могут сохраняться в E-слое в течение нескольких дней и даже недель, способствуя формированию спорадических слоёв.
• В периоды высокой солнечной активности электронная концентрация в E-слое может возрастать в несколько раз.