Ионосфера

Ионосфера стала доступной для непосредственного изучения только в последнее десятилетие, когда начали осуществляться запуски геофизических ракет, спутников, космических кораблей. До этого исследования ионосферы проводились косвенными методами.

Само название ионосферы указывает на то, что некоторая часть атомов и молекул находящихся в ней газов ионизирована. Ионы и электроны образуются в результате ионизации, которая заключается в отрыве электрона от нейтральной молекулы. Для того чтобы оторвать электрон, необходимо затратить некоторую энергию. Основным источником энергии, идущей на ионизацию газа в атмосфере, является Солнце, излучающее ультрафиолетовые лучи и мельчайшие быстролетящие частицы. Пока атмосфера освещена Солнцем, в ней непрерывно образуются все новые и новые электроны, но одновременно часть старых электронов сталкивается с ионами и опять образует нейтральные частицы — атомы и молекулы. С заходом Солнца образование новых электронов почти прекращается и количество свободных электронов убывает. Количество электронов, находящихся в 1 см³ газа, называется электронной плотностью.

Наличие свободных электронов сообщает газу особые электрические свойства. Представим себе конденсатор, площадь пластин которого равна 1 м², а расстояние между ними составляет 1 м (рис. 12). Если такой конденсатор поместить в вакуум, то емкость его будет равна электрической постоянной ε₀. Введем в объем, заключенный между пластинами конденсатора, некоторое количество электронов N. Каждый из них имеет массу m и заряд е. К пластинам конденсатора приложено переменное напряжение амплитуды U_m, изменяющееся с частотой f: U = U_mcos2πft. Под влиянием электрического поля электроны придут в колебательное движение с частотой поля.

При этом амплитуда скорости заряженной частицы и пропорциональна ее наряду е и напряжению электрического поля U и обратно пропорциональна массе т и частоте поля f:

Движущиеся заряды есть не что иное, как ток, причем амплитуда тока I_т определяется общим зарядом Ne, умноженным на скорость u: $I_m=Neu=\frac{Ne^2U_m}{2\pi{fm}}=\frac{U_m}{\left(\cfrac{2\pi{fm}}{Ne^2}\right)}$.

Это уравнение аналогично известному выражению для тока, протекающего через индуктивность: $I_m=\frac{U_m}{2\pi{fL}}$.

Следовательно, колеблющиеся электроны будут оказывать такое же влияние, как и эквивалентная индуктивность $\frac{m}{Ne^2}$, шунтирующая конденсатор.

Эквивалентная емкость такого конденсатора $C^\prime=\varepsilon_0-\frac{Ne^2}{2\pi{f^2m}}$ соответствует конденсатору, заполненному диэлектриком с абсолютной диэлектрической проницаемостью, отличной от ε₀:

$$
\begin{equation}
\varepsilon_a=\varepsilon_0\left(1-\frac{Ne^2}{\varepsilon_0 2\pi f^2 m}\right)
\tag{8}
\end{equation}\label{eq.8}
$$

Таким образом, наличие свободных электронов в газе приводит к изменению диэлектрической проницаемости, а следовательно, и преломляющих свойств газа. При этом диэлектрическая проницаемость ионизированного газа всегда меньше, чем диэлектрическая проницаемость воздуха, и зависит от электронной плотности. Диэлектрическая проницаемость зависит также от частоты электромагнитных колебаний. Поэтому ионосфера оказывает неодинаковое влияние на распространение радиоволн различных диапазонов. Для волн короче 10 м ионосфера почти прозрачна, тогда как более длинные волны отражаются от нее.

Во время движения электроны могут сталкиваться с молекулами и атомами газа. Электрон, столкнувшись с молекулой, отдает ей накопленную энергию. Молекула получает добавочную скорость. Но движение молекул не создает тока, а является тепловым движением. Таким образом, при прохождении волны в ионизированном газе часть ее энергии затрачивается на повышение температуры газа. Энергия коротких и ультракоротких радиоволн при прохождении ионосферы уменьшается и тем больше, чем длиннее волна.

Электронная плотность по высоте ионосферы меняется, причем имеется несколько более или менее выраженных максимумов ионизации. Следовательно, на различных высотах в ионосфере получаются как бы слои с неодинаковой электронной плотностью. Самый нижний ионизированный слой принято обозначать буквой D, а более высокие — буквами Е, F₁ и F₂. Эти слои по-разному влияют на распространение радиоволн различной длины.

До последнего времени сведения об ионосфере получали главным образом путем радиозондирования, осуществляемого с помощью ионосферных станций (рис. 13). Передатчик ионосферной станции посылает импульсы вертикально вверх. Частота заполнения импульсов меняется. Отраженные импульсы принимают и наблюдают на осциллографе. По времени запаздывания импульса определяют, на какой высоте произошло отражение волны данной частоты, и строят высотно-частотные характеристики (рис. 14). Этот метод не позволяет исследовать пространство, находящееся выше верхнего ионосферного слоя.

Оставалось загадкой, что происходит выше верхнего максимума ионизации, т. е. выше примерно 300 км. Полное представление о строении ионосферы было получено только после запуска геофизических ракет и спутников. Исследование атмосферы при помощи ракет было начато еще в 30-х годах. Регулярные запуски ракет на высоты до 200 км и более стали осуществляться только в пятидесятые годы. Особенно большое значение для исследования ионосферы имел запуск ракеты, осуществленный 27 февраля 1958 г. Эта ракета поднялась на высоту 470 км, что позволило получить сведения о плотности ионизации на этих высотах. Последующие многочисленные запуски ракет, спутников, космических кораблей со специальной аппаратурой дополнили и уточнили эти сведения.

Измерение электронной плотности при помощи ракет и спутников проводят, наблюдая за прохождением радиоволн через ионосферные слои. Для этого используются УКВ. На ракете устанавливается передатчик, генерирующий основную частоту и гармонику. На советских высотных ракетах и спутниках устанавливают передатчики, генерирующие основную частоту 48 МГц и гармонику частотой 144 МГц. На прохождение волны частотой 144 МГц ионосфера не влияет: для нее вся ионосфера практически прозрачна, и волна распространяется со скоростью света в свободном пространстве. Скорость же распространения волны частотой 48 МГц зависит от электронной плотности ионосферы. В приемнике частоту сигнала 48 МГц умножают на 3 и смешивают с принятым сигналом на частоте 144 МГц. Сигналы распространяются с различными скоростями и приходят в разной фазе, причем разность фаз зависит от плотности ионизации. Измеряя разность фаз и наблюдая за высотой ракеты, определяют распределение электронной плотности с высотой.

Полученная путем таких измерений зависимость электронной плотности от высоты показана на рис. 15. На этом рисунке высота и электронная плотность отложены в логарифмическом масштабе. На графике видны три максимума ионизации. Самый верхний, резко выраженный максимум ионизации относится к слою F. Это основной слой, отражающий короткие волны и обусловливающий возможность связи на КВ на расстояниях в десятки тысяч километров. Второй, меньший максимум, расположенный на высоте 120 км, относится к слою Е. От этого слоя отражаются средние волны в ночные часы. Самый нижний максимум ионизации находится на высоте 80 км и относится к слою D. От этого слоя отражаются длинные волны.

Электронная плотность слоев меняется в зависимости от времени суток и года. Наибольшая плотность наблюдается в полдень для всех слоев (кроме слоя F) летом. Слой F имеет наибольшую плотность в полдень зимой. На рис. 16 показано, как меняется плотность слоев в течение суток.

Электронная плотность слоев, особенно слоя F, меняется от года к году в соответствии с циклами солнечной деятельности. Многолетние наблюдения показали, что деятельность Солнца периодически меняется, причем этот период составляет примерно 11 лет (рис. 17). Астрономы наблюдали появление на поверхности Солнца темных образований, названных солнечными пятнами, которые долгое время служили критерием деятельности Солнца. Было установлено, что чем больше площадь, занимаемая солнечными пятнами, тем интенсивнее ультрафиолетовое излучение Солнца, а следовательно, и его ионизирующая способность Таким образом, в годы, когда число солнечных пятен велико, в годы максимума солнечной деятельности, плотность ионизации ионосферных слоев значительно увеличивается.

В ионосфере временами на высоте 90—110 км появляется так называемый нерегулярный, спорадический слой Е_с. Спорадический слой представляет собой скопление ионизированного газа гораздо большей электронной плотности, чем электронная плотность на той же высоте в окружающей среде. Этот слой появляется над сравнительно небольшой территорией (примерно 100×100 км) и может перемещаться под действием господствующих в ионосфере ветров в каком-либо направлении. Скорость перемещения этого слоя примерно 150 — 250 км/ч. Спорадический слой присутствует не всегда. Чаще всего он появляется в дневные часы летом в южных широтах. Так, в экваториальной зоне в дневное время он бывает почти все время. В средних широтах в дневное время летом он присутствует в течение 50—70% времени, т. е. 15—20 дней в месяц. Иногда спорадический слой существует всего несколько часов, а иногда и несколько минут. Зимой в средних широтах слой Е_с появляется редко. Изменение количества случаев появления слоя Е_с в зависимости от времени суток (в летние месяцы) и времени года (в дневные часы) показано на рис. 18. Частота появления и электронная плотность спорадического слоя не зависят от 11-летнего цикла солнечной деятельности. Причины образования этого слоя еще не установлены, поэтому не удается предсказать время и продолжительность его появления. Спорадический слой играет существенную роль в сверхдальнем распространении УКВ.

Ранее отмечалось, что ионизированный слой представляет собой неоднородную среду с убывающим по высоте коэффициентом преломления. В таком слое возможно явление полного внутреннего отражения. При этом для отражения более длинных волн нужна меньшая электронная плотность газа. Для слоя определенной электронной плотности существует некоторая максимальная частота колебаний, при которой слой способен отражать радиоволны. Радиоволны, частота колебаний которых превышает максимальную частоту, не отражаются слоем, а проходят, преломляясь, сквозь ионосферу. Кроме того, для данной частоты радиоволны существует некоторое критическое значение угла возвышения волны, при котором при данной электронной плотности слоя радиоволны еще могут отразиться от слоя.

Максимальная частота приближенно связана простым соотношением с электронной плотностью ионосферы и углом возвышения траектории излученной волны

$$
\begin{equation}
f_{max}=9\cdot 10^3 \frac{\sqrt{N}}{\sin \varphi}
\tag{9}
\end{equation}\label{eq.9}
$$

где f_max — максимальная частота, МГц; N — электронная плотность на высоте отражения, определенная как число электронов, содержащихся в 1 см³; φ — угол возвышения траектории волны, показанный на рис. 19.

Угол возвышения определяется расстоянием, на которое надо вести передачу. Чем больше расстояние, тем выше частота волны, которая может отразиться от ионосферы. При данной электронной плотности наименьшее значение имеет максимальная частота отражения, если волна послана вертикально вверх (φ=90°). Эта частота называется критической частотой слоя и является важным параметром ионосферного слоя

$$
\begin{equation}
f_\text{кр}=9\cdot 10^3 \sqrt{N} \ \text{[МГц]}
\tag{10}
\end{equation}\label{eq.10}
$$

Например, если, как показано на рис. 15, электронная плотность слоя Е днем равна 10⁵ э/см³, то его критическая частота f_{кр E} = 3 МГц. Критическая частота основного максимума ионизации слоя F может достигать значений f_{кр F} = 10÷15 МГц. Волны с более высокой частотой колебаний, если они посланы вертикально вверх, не отразятся от ионосферы, а уйдут за ее пределы в космическое пространство.

Ионосферные слои неоднородны по своей структуре. Они представляют собой как бы скопление облаков ионизированного газа. Местами электронная плотность газа больше, местами — меньше. Размеры этих облаков достигают 50—150 м. Поэтому и обнаружить их можно только на коротких и метровых волнах. Облака ионизированного газа непрерывно образуются, рассасываются и находятся в хаотическом движении. Наиболее отчетливо наличие таких неоднородностей выражено на высотах 70—80 км.

Радиоволны рассеиваются на неоднородностях ионосферных слоев. При этом рассеянное отражение направлено во все стороны и главным образом в направлении первоначального движения волны. Использование явления рассеяния на неоднородностях ионосферных слоев открыло новые широкие возможности применения УКВ.

Кратковременная ионизация атмосферы происходит при вторжении в нее метеоров. В атмосферу попадает сравнительно мало крупных метеоров, которые могут наблюдаться визуально: всего 2—3 метеора в час на всем земном шаре. Но мелкие пылеобразные частицы массой в доли грамма попадают в атмосферу в большом количестве.