Ионосфера

Разрушение ионосферы

Все знают, для чего Земле нужна атмосфера. Ионосфера же – это ее слой, который защищает остальные слои от жесткого космического излучения

Поэтому очень важно, чтобы ее состав поддерживался на нормальном уровне. Но деятельность человека в последние годы приводит к тому, что этот слой атмосферы начинает разрушаться

Например, при запуске космической лаборатории «Скайлеб» в ионосферу выбрасывается огромное количество водорода.

Другие ракеты-носители не меньше влияют на состав атмосферы. Космический «Шаттл» выбрасывает при сгорании топлива большое количество хлора, оксида углерода, оксида алюминия, водорода. А РН «Энергия» — много оксида азота. Все это активно уничтожает слои ионосферы и приводит к уменьшению количества озона. Остатки топлива уже долгое время накапливаются в верхних слоях атмосферы. Особенно много их содержит стратосфера. Ионосфера же очень чувствительна к изменению своего состава, поэтому ионы быстро разрушаются.

Получается, что при запуске космических аппаратов вдоль всей трассы их полета образуется коридор, так называемая ионосферная дыра. В этом месте космические лучи могут проникать в атмосферу и достигать поверхности Земли, отрицательно воздействуя на все живые организмы.

Слои ионосферы

Это часть атмосферы тоже неоднородна. В ней различают три слоя с разной степенью ионизации и плотности газов.

• В самом нижнем слое, простирающемся до 90 километров, ионизация самая низкая. Воздух здесь ионизируется под влиянием магнитных бурь Земли, а также с помощью рентгеновских лучей Солнца. Поэтому в ночное время ионизация здесь еще сильнее снижается.
• Второй слой располагается от 90 до 120 километров. Он характеризуется средней плотностью ионов, которая сильно повышается в дневное время под воздействием солнечного излучения. В этом слое происходит отражение средних и коротких радиоволн. Эту часть ионосферы еще называют слоем Кеннели-Хевисайда, которые впервые изучили его.
• Вся остальная ионосфера выше 130 километров составляет третий слой. Максимальный уровень ионизации здесь наблюдается на высоте около 200 километров. Этот слой дает возможность передавать коротковолновое радиоизлучение на большие расстояния. Открыл этот слой английский физик Эпплтон.

Моделирование ионосферы

Модель ионосферы представляет собой распределение значений характеристик плазмы в виде функции

• географического положения,
• высоты,
• дня года,
• а также солнечной и геомагнитной активности.

Для задач геофизики, состояние ионосферной плазмы может быть описано четырьмя основными параметрами:

• электронной плотностью;
• электронной температурой;
• ионной температурой;
• ионным составом (в силу наличия нескольких типов ионов).

Распространение радиоволн, например, зависит исключительно от распределения электронной концентрации.

Обычно модель ионосферы является компьютерной программой. Она может быть основана на физических законах, определяющих распределение характеристик плазмы в пространстве (учитывающих взаимодействие ионов и электронов с солнечным излучением, нейтральной атмосферой и магнитным полем Земли). Также, она может представлять собой статистическое усреднение большого количества экспериментальной информации. Одной из наиболее часто используемых моделей является модель international reference ionosphere (IRI), построенная на статистической обработке большого количества измерений и способная рассчитывать четыре основных характеристики ионосферы, указанные выше. Проект по созданию и усовершенствованию модели IRI является международным и спонсируется такими организациями, как COSPAR и URSI. Основными источниками данных для модели IRI являются:

• глобальная сеть ионозондов;
• мощные радары некогерентного рассеяния (находятся на Джикамарке, Арэсибо, Майлстоун Хилл, Малверн и Сан-Сантине);
• а также спутниковые зонда ISIS и Alouette и
• точечные измерения с нескольких спутников и ракет.

Модель IRI обновляется ежегодно, с появлением новых экспериментальных данных. Эта модель также была в 2009 году принята Международной организацией по стандартизации (ISO) за международный стандарт TS16457.

Одним из эффективных методов моделирования ионосферы, является так называемая техника ассимиляции данных. Суть этой методики состоит в корректировке физической модели ионосферы с помощью оперативно получаемых экспериментальных данных. Обычная модель ионосферы, основанная на физике исследуемых процессов, не может охватить всего диапазона факторов, влияющих на состояние плазмы. Это связано с тем, что некоторые необходимые для этого величины сложно измерить экспериментально (скорости ветра на высотах термосферы, прохождение сквозь атмосферу космических лучей и др.). Кроме того, даже влияние хорошо изученных факторов, таких, например, как солнечная активность, трудно предсказать.

В связи с этим, модель, способная обеспечить высокую точность описания распределения характеристик плазмы, должна в режиме реального времени усваивать экспериментальную информацию о состоянии ионосферы. Данные, которые могут быть использованы в такого рода подходе должны быть доступны и актуальны и, кроме всего прочего, оперативно обновляемы. Одним из важнейших источников данных, отвечающих такого рода требованиям, является сеть наземных приемников навигационного сигнала спутниковых систем навигации GPS и ГЛОНАСС. По данным о распространении спутникового навигационного сигнала можно вычислить полное содержание электронов вдоль его траектории. Эти данные доступны и обновляются в нескольких архивах, таких, как, например, архив SOPAC. На данный момент в мире существует несколько моделей ассимиляционного типа. Среди них — разработанная при финансировании Министерства обороны США модель GAIM. В России разработки в данном направлении ведутся в ФГУБ «Центральная Аэрологическая Обсерватория».

Влияние ионосферы на радиосвязь

Высокая степень ионизации воздуха в этом слое атмосферы может влиять на радиосвязь. Отрицательно заряженные частицы, хаотично двигаясь, могут менять направление радиоволн и даже поглощать их энергию. В результате этого возникают сильные помехи, временное исчезновение радиосвязи или, наоборот, усиление слишимости дальних радиостанций.

Ученые доказали, что именно ионосфера — это тот слой атмосферы, который делает возможным распространение радиоволн. Так получилось, что благодаря этим радоиволнам и был открыт этот слой в 20-е годы 20 века.

Для более точной передачи радиоволн на дальние расстояния необходимо найти в ионосфере точки преломления, отразившись от которых они попадут именно в то место, в какое нужно. Проблема еще и в том, что часть энергии поглощается отрицательно заряженными ионами. С этим связано такое явление, когда длинные волны быстро затухают в ионосфере, а лучше передаются короткие. Кроме того, радиосвязь ухудшается во время магнитных бурь, при которых ионизация уменьшается.

История исследования

В 1901 году Гульельмо Маркони принял трансатлантический радиосигнал с помощью 152-метровой антенны в городе Сент-Джонс на острове Ньюфаундленд (сейчас является территорией Канады). Передающая станция в Корнуолл, Англия использовала очень мощный (в сто раз мощнее любого, существовавшего в то время) передатчик, испускавший радиоволны на частоте примерно 500 кГц.
Сообщение, которое принял Маркони, состояло из трех точек: обозначение азбуки Морзе для английской буквы S. До того, как сигнал достиг Ньюфаундленда, он дважды отразился от ионосферы. Несмотря на все сомнения и кривотолки, которые вызвал эксперимент Маркони, он успешно повторил его год спустя, приняв сигнал в заливе Глэйс, Новая Шотландия, Канада.

Английский физик Оливер Хэвисайд предположил наличие ионизированного слоя в атмосфере в 1902 году. Его теория включала в себя возможность распространения радиосигнала вокруг Земли, несмотря на её кривизну. Независимо от Хэвисайда эксперименты по дальнему приёму коротких волн через Атлантику между Европой и Америкой проводил американский инженер-электрик Артур Кеннели. Они предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Его назвали слоем Хэвисайда — Кеннели, а затем — ионосферой. Возможно, именно предположения Хэвисайда и Кеннели вкупе с законом излучения абсолютно чёрного тела, выведенного Максом Планком, способствовала бурному развитию радиоастрономии с 1932 года (а также послужило отправной точкой при создании высокочастотных систем типа приемник — передатчик).

В 1926 году шотландский физик Роберт Уотсон-Ватт ввёл термин ионосфера в письме, опубликованном только в 1969 году в журнале Nature:

В 1947 году Эдвард В. Эплтон был удостоен Нобелевской премии по физике за подтверждения существования ионосферы в 1927 году с формулировкой «За исследования физики верхних слоёв атмосферы, в особенности за открытие так называемого слоя Эплтона»

Лойд Беркнер был первым, кто впервые измерил высоту и плотность ионосферы, что несомненно поспособствовало теории распространения коротких радиоволн. Морис Уилкс и Джон Рэтклифф исследовали распространение очень длинных радиоволн в ионосфере. Виталий Гинзбург разработал теорию распространения электромагнитных волн в плазме в частности в ионосфере.

В 1962 году был запущен канадский спутник Alouette-1 для изучения ионосферы. После его успеха также для измерения и исследования ионосферы были отправлены Alouette-2 в 1965 году и два спутника ISIS в 1969 и 1971 годах.

Структура ионосферы

Ионограмма — зависимость плотности плазмы (измеряемой по критической частоте) от высоты над землёй

В начале 20-х годов советский ученый М. В. Шулейкин установил, что в ионосфере должно быть по крайней мере два максимума электронной концентрации: один на высоте порядка 100 км, а другой на высоте 200 км. Анализируя результаты измерений напряженности поля дальних радиостанций в различных пунктах земной поверхности, он пришел также к выводу о существовании в ионосфере неоднородностей, имеющих форму облаков. В результате отражения радиоволн от таких облачных образований к антенне приемного устройства могут прийти два и более лучей, при сложении которых возможно либо усиление, либо ослабление (замирание) принимаемого сигнала. Итогом работы М. В. Шулейкина была разработка основ современной теории преломления радиоволн в ионосфере. Его работы о влиянии ионосферы на распространение радиоволн нашли дальнейшее развитие в последующих исследованиях Л. А. Жекулина, В. Л. Гинзбурга и ряда других ученых.В зависимости от плотности заряженных частиц N в ионосфере выделяются слои D, E и F.

Слой D

В области D (60—90 км) концентрация заряженных частиц составляет N_max~ 10²—10³ см−3 — это область слабой ионизации. Основной вклад в ионизацию этой области вносит рентгеновское излучение Солнца. Также небольшую роль играют дополнительные слабые источники ионизации: метеориты, сгорающие на высотах 60—100 км, космические лучи, а также энергичные частицы магнитосферы (заносимые в этот слой во время магнитных бурь).

Слой D также характеризуется резким снижением степени ионизации в ночное время суток.

В D-слое наиболее полно исследован состав кластерных ионов и протекающие с их участием процессы.

Слой E

Область E (90—120 км) характеризуется плотностями плазмы до N_max~ 105 см−3. В этом слое наблюдается рост концентрации электронов в дневное время, поскольку основным источником ионизации является солнечное коротковолновое излучение, к тому же рекомбинация ионов в этом слое идёт очень быстро и ночью плотность ионов может упасть до 10³ см−3. Этому процессу противодействует диффузия зарядов из области F, находящейся выше, где концентрация ионов относительно велика, и ночные источники ионизации (геокороное излучение Солнца, метеоры, космические лучи и др.).

Спорадически на высотах 100—110 км возникает слой E_S, очень тонкий (0,5—1 км), но плотный. Особенностью этого подслоя является высокая концентрации электронов (n_e~ 105 см−3), которые оказывают значительное влияние на распространение средних и даже коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы.

Слой E, в силу относительно высокой концентрации свободных носителей заряда, играет важную роль в распространении средних и коротких волн. Слой E иногда называют «слой Кеннелли — Хевисайда».

Слой F

Областью F называют теперь всю ионосферу выше 130—140 км. Максимум ионообразования достигается на высотах 150—200 км. Однако вследствие диффузии и относительно долгой длительности жизни ионов образовавшаяся плазма распространяются вверх и вниз от области максимума. Из-за этого максимальная концентрация электронов и ионов в области F находится на высотах 250—400 км.

В дневное время также наблюдается образование «ступеньки» в распределении электронной концентрации, вызванной мощным солнечным ультрафиолетовым излучением. Область этой ступеньки называют областью F₁ (150—200 км). Она заметно влияет на распространение коротких радиоволн.

Выше лежащую часть слоя F называют слоем F₂. Здесь плотность заряженных частиц достигает своего максимума — N ~ 105—106 см−3.

На больших высотах преобладают более лёгкие ионы кислорода (до высот 400—1000 км), а ещё выше — ионы водорода (протоны) и в небольших количествах — ионы гелия.

Особенностью слоя F является то, что он отражает радиоволны в диапазоне коротких волн на частотах от нескольких мегагерц до 10 мегагерц, что делает возможным передачу таких радиосигналов на значительные расстояния.[источник не указан 2427 дней]

Несмотря на то что ионный состав слоя F зависит от солнечной активности, его способность отражать электромагнитные волны с частотой, меньшей 10 МГц, стабильна.

За открытие слоя F английскому физику Эдварду Виктору Эплтону в 1947 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

Изучение ионосферы

Этот слой атмосферы был обнаружен в начале 20 века учеными Е. Эпплтоном, М. Барнетом, Г. Брейтом и М. Тьювом. Они установили, что на высоте после 50 километров существует слой газов, отражающих радиоволны. За ним начали наблюдать. Было установлено, что ионосфера постоянно разная. Даже в течение дня ее состав и другие характеристики меняются. Разное количество газов также в завсимости от высоты. Поэтому ионосферу поделили на три слоя.

Но полное представление об особенностях этой части атмосферы человечество смогло получить только во второй половине 20 веке. Изучали ее с наземных ионосферных станций. Потом начали исследовать ее изнутри. Сначала ракеты, потом спутники поднялись в верхние слои атмосферы. И люди смогли понять, что такое ионосфера. Состав ее был изучен благодаря применению с ракет масс-спектрометра. Это также позволило измерить другие параметры:

• температуру;
• концентрацию ионов;
• электропроводность;
• источники ионизации;
• особенности жесткого солнечного излучения.

Исследуют ионосферу также с помощью радиометодов — изучения отраженных радиоволн. А в последнее время стали применяться спутники, на борту которых есть станции и зонды, исследующие ионосферу сверху. Это позволило составить представление о ее самом верхнем слое, недоступном для изучения с Земли.