Ионосфера и её влияние на распространение электромагнитных волн

Ионосфера

Ионосфера — верхняя часть атмосферы Земли, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, сильно ионизированная вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца.

Мезопауза — слой атмосферы, разделяющий мезосферу и термосферу. На Земле располагается на высоте 80−90 км над уровнем моря. В мезопаузе находится температурный минимум, который составляет около ?100°C. Ниже (начиная от высоты около 50 км) температура падает с высотой, выше (до высоты около 400 км) — снова растёт. Мезопауза совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. На этой высоте наблюдаются серебристые облака. Мезопауза есть не только на Земле, но и на других планетах, имеющих атмосферу.

Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N₂ и кислорода О₂) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров.

В зависимости от плотности заряженных частиц N в ионосфере выделяются слои D, Е и F.

В области D (60−90 км) концентрация заряженных частиц составляет N_max~ 10І-10і 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.

Область Е (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. Ночью плотность ионов может упасть до 10і 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.).

В некоторых случаях 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 тока играет важную роль в распространении средних и коротких волн.

Областью F называют теперь всю ионосферу выше 130−140 км. Максимум ионобразования 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 частот от нескольких мегагерц до 10 мегагерц, что делает возможным передачу радиосигналов коротковолнового диапазона на значительные расстояния.

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