Глава четвертая. Ионосфера и ее влияние на распространение радиоволн

§ 4.1. Причины образования ионосферы

Ионосферой называют область атмосферы, начиная с высоты 50÷60 км над поверхностью Земли, где газ частично или полностью ионизирован и содержит большое число свободных электронов. За верхнюю границу ионосферы принимают область высот 15÷20 тыс. км, где плотность газа близка к плотности газа в межпланетном пространстве.

Область ионосферы, существенно влияющая на условия распространения радиоволн, ограничена меньшими высотами и с этой точки зрения верхней границей ионосферы можно считать область высот 1000÷1500 км.

Преломление и отражение радиоволн верхними слоями атмосферы происходит благодаря наличию в них электронов и ионов. Число электронов, содержащихся в единице объема воздуха, называется электронной плотностью и обозначается N_э. Соответственно плотности положительных и отрицательных ионов обозначаются N_и⁺ и N_и^-.

Для того чтобы произошла ионизация газа, необходимо произвести некоторую работу, называемую работой ионизации. Основным источником, дающим энергию для ионизации атмосферы, является Солнце, которое излучает широкий спектр электромагнитных колебаний.

Ионизация под действием электромагнитных колебаний, излучаемых Солнцем (фотоионизация), может произойти только в том случае, если энергия кванта этих колебаний равна или превышает работу ионизации. Поэтому ионизацию могут производить электромагнитные волны длиной менее 0,1 мкм, лежащие в ультрафиолетовой и частично рентгеновской частях спектра. Фотоионизация происходит только на освещенной части земного шара и более интенсивно в приэкваториальных областях.

Помимо Солнца, источником ионизирующего излучения являются звезды. Но из-за большой удаленности звезд ионизирующее действие их незначительно.

Ионизацию создают также метеоры, вторгающиеся в земную атмосферу со скоростями 11÷72 км/с. Кроме повышения среднего уровня ионизации, метеоры создают местную ионизацию: за метеором образуется столб ионизированного газа - "след метеора", который быстро расширяется и рассеивается, существуя в атмосфере от долей секунды до нескольких секунд.

Рассмотрим, как распределяются по высоте в атмосфере электроны, образующиеся в результате ионизации. Даже в однородной по составу атмосфере число электронов, образующихся в 1 см³ в 1 с, обозначаемое J_s, не постоянно и имеет некоторый максимум. Действительно, пусть П - плотность ионизирующего потока, р - давление газа на данной высоте. Рис. 4.1 качественно иллюстрирует характер зависимости этих величин от высоты.

Рис. 4.1. Образование максимума ионизации в ионосфере. Изменение с высотой плотности ионизирующего потока П, давления газа р, интенсивности ионизации I_s

Плотность ионизирующего потока убывает с приближением к земной поверхности (энергия потока тратится на ионизацию), а давление уменьшается с высотой. На больших высотах в области малых давлений содержится незначительное число молекул, способных ионизироваться, поэтому величина J_s в этой области мала. На небольших высотах плотность ионизирующего потока мала и энергия его недостаточна для ионизации большого числа молекул. На некоторой высоте величины П и р достаточно велики, и в этой области образуется максимальное число электронов.

Закон изменения J_s с высотой изображен на рис. 4.1 сплошной линией. Распределение плотности электронов по высоте, получающееся в однородной атмосфере и при однородном ионизирующем потоке, называется простым слоем.

В неоднородной по составу атмосфере и ионизирующем потоке, содержащем широкий спектр колебаний, возможно образование нескольких максимумов ионизации, что и наблюдается в реальной атмосфере.

Одновременно с появлением новых электронов в ионосфере часть имеющихся электронов исчезает, присоединяясь к положительным ионам и нейтральным молекулам. При этом образуются нейтральные молекулы и отрицательные ионы. Процесс воссоединения заряженных частиц и образования молекул называется рекомбинацией. После прекращения действия источника ионизации электронная плотность постепенно спадает и тем быстрее, чем больше плотность атмосферы. С заходом Солнца исчезновение зарядов происходит быстрее в нижних слоях ионосферы, чем в верхних.

Процесс баланса ионизации многообразен и весьма сложен. В формировании ионосферы участвует множество явлений, помимо указанных выше. Рассмотрение этих явлений составляет самостоятельный раздел знаний - аэрономию.