§ 4.2. Экспериментальные данные о строении ионосферы

В результате экспериментальных исследований получены довольно полные сведения о строении ионосферы и свойственных ей изменениях.

Картина распределения электронной плотности по высоте в основном совпадает с теоретическим законом [10] (см. рис. 4.2 и 4.1).

Рис. 4.2. Распределение электронной плотности ионосферы: ^____ днем; - - - ночью

Действительно, на высоте 250÷400 км имеется основной максимум ионизации, выше и ниже которого электронная плотность убывает. Область ионосферы ниже основного максимума ионизации называют внутренней ионосферой, а выше основного максимума - внешней ионосферой. Рассмотрим нормальную картину строения ионосферы и суточный ход ее изменения.

Наиболее изучена внутренняя ионосфера. Во внутренней ионосфере обычно существует несколько неярко выраженных максимумов концентрации зарядов, называемых областями, или слоями ионосферы [12]. Слои принято обозначать символами D, Е, F (см. рис. 4.2). Ионосферные слои обычно характеризуются следующими параметрами: электронной плотностью в максимуме ионизации N_{э mах}, высотой нижней границы ионизации h₀, полутолщиной слоя (высотой от нижней границы слоя до максимума ионизации) h_max, числом столкновений электрона с тяжелыми частицами v.

Слой D - самый нижний ионосферный слой, расположенный на высоте 60÷80 км. Электронная плотность его не превышает 10³÷10⁴ эл/см³, кроме того, здесь имеется большое число отрицательных ионов, примерно 10⁸ ион/см³. Плотность ионосферы на высоте слоя D еще велика и число столкновений электрона с тяжелыми частицами достигает величины v = 10⁷c^-1, что обусловливает сильно выраженные поглощающие свойства этого слоя. Слой D появляется только в дневное время, а ночью ионизация на этих высотах почти полностью исчезает, потому что рекомбинация здесь протекает с большой скоростью. В летние месяцы электронная плотность слоя D выше, чем в зимние.

Слой Е - первый слой, обнаруженный исследователями. Нижняя граница этого слоя расположена на высоте 100 км, полутолщина составляет 15÷20 км, электронная плотность достигает днем N_{э max} = 1,5·10⁵ эл/см³, ночью N_{э mах} = 5·10³ эл/см³. Число столкновений электрона с тяжелыми частицами равно v = 10⁵ 1/с. Основным ионизирующим фактором для слоя Е является ультрафиолетовое излучение Солнца. Изменение электронной плотности во времени симметрично относительно местного полдня. Это значит, что эффективный коэффициент рекомбинации велик и динамическое равновесие между числом исчезающих и вновь появляющихся зарядов устанавливается почти мгновенно вслед за изменением зенитного угла Солнца.

В ночные часы электронная плотность остается на постоянном уровне. Причина ночной ионизации до сих пор не установлена. Предполагают, что она вызывается отчасти метеорами, отчасти присоединением электронов (при рекомбинации) к нейтральным молекулам.

Электронная плотность слоя Е имеет закономерный сезонный ход: максимальное значение N_{э max} наблюдается в летние месяцы. Характерной особенностью слоя Е является постоянство его свойств: он мало подвержен случайным изменениям.

Слой F, расположенный на высоте 250÷400 км, является основным максимумом электронной плотности. Суточный и годовой ход ионизации этого слоя значительно сложнее, чем слоя Е. Наиболее закономерный суточный ход плотности ионизации и высоты слоя F наблюдается в зимние месяцы, когда в дневное время ионизация сильно возрастает, достигая максимального значения 6·10⁵÷2·10⁶ эл/см³ после полудня. Ночью электронная плотность не превышает 2,5·10⁵ эл/см³. Высота слоя F уменьшается в дневные часы до 220÷240 км и увеличивается ночью до 300÷330 км.

В летние месяцы (май - сентябрь) суточное изменение параметров слоя F имеет совершенно иной характер. В дневные часы слой F расщепляется на два слоя, один из которых F₂ расположен на высоте 300÷400 км, а второй F₁ - на высоте 200÷230 км. Электронная плотность слоя F₂ составляет 4,0·10⁵÷9·10⁵ эл/см³, а электронная плотность слоя F₁ - 2·10⁵÷4·10⁵ эл/см³. Слой F₁ по своим свойствам сходен со слоем Е: здесь электронная плотность изменяется синхронно с зенитным углом Солнца и максимум ионизации наблюдается ровно в полдень. В суточном изменении электронной плотности слоя F₂ нет резкого максимума. Летом в ночные часы существует только один слой на высоте 300 км, причем его электронная плотность, как и в зимнее время, не превышает N_{э mах} = 2,5·10⁵ эл/см³.

Полутолщина слоя F меняется в зависимости от географического места и времени в пределах 100÷200 км. Число столкновений электрона с тяжелыми частицами составляет v = 10³÷10⁴ с^-1.

В области слоя F электронная плотность подвержена сильным изменениям, и даже в спокойные дни в один и тот же час суток электронная плотность существенно отклоняется от среднего значения. Причина необычного поведения слоя F в летние месяцы еще не установлена. Ученые считают, что большую роль здесь играет нагревание атмосферы, вызывающее расширение ионизированного воздуха, поднимающегося и переходящего в область более разреженной атмосферы, в результате чего электронная плотность слоя F снижается.

Ионизация слоя F зависит от географической широты и долготы, что связано с влиянием геомагнитной широты места, т. е. с удалением от магнитных полюсов. Такое объяснение предполагает, что ионизация слоя F происходит не только за счет ультрафиолетового излучения Солнца, но и за счет потоков заряженных частиц, на траекторию которых влияет земное магнитное поле. Наблюдается годовое изменение ионизации слоя F для всего земного шара: в зимнее время в северном полушарии обычно ионизация слоя F возрастает. Слой F является основным слоем, отражающим короткие волны, и имеет очень большое значение для радиосвязи.

Исследование радиофизических свойств внешней ионосферы Земли, т. е. атмосферы выше максимума электронной плотности слоя F, стало возможным только с запуском геофизических ракет и искусственных спутников Земли.

Из графика рис. 4.2 видно, что выше основного максимума электронной плотности - слоя F - электронная плотность резко падает, изменяясь в диапазоне высот 500÷1000 км от N_э = 10⁶ эл/см³ до N_э = 10⁴ эл/см³. В диапазоне высот 1700÷10000 км электронная плотность меняется с высотой более медленно, оставаясь в пределах (2÷5) · 10³ эл/см³. На высоте более 15000 км электронная плотность спадает и на высоте 20000 км достигает 103 эл/см³ [30].

На высотах более 300 км атмосфера полностью ионизирована, нейтральные молекулы отсутствуют и плотность электронов равна плотности ионов. На высоте 20000÷25000 км плотность атмосферы становится меньше 10³ ион/см³, что приближается к плотности газа в космическом пространстве.

Таким образом, исследования последних лет показали, что Земля окружена ионизированной газовой оболочкой толщиной до четырех радиусов земного шара (15÷20 тыс. км), имеющей плотность электронов и ионов более 10³ частиц/см³.

Многолетние астрономические наблюдения за Солнцем показали, что его активность периодически меняется, причем длительность цикла составляет примерно 11 лет. При изменении солнечной активности меняется интенсивность ультрафиолетового и радиоизлучения Солнца, тогда как интенсивность излучения в видимой части спектра остается неизменной. Критерием солнечной активности служит относительное число солнечных пятен, характеризующее площадь поверхности Солнца, имеющую наиболее высокую температуру.

Солнечные пятна, представляющие собой вихри во внешних областях Солнца, видимы как темные пятна на его диске и указывают на местные изменения температуры Солнца. На рис. 4.3 представлен график среднегодового числа солнечных пятен за последние 40 лет.

Рис. 4.3. Изменение солнечной активности по годам

Из рисунка видно, что последний максимум солнечной активности наблюдался в 1969-1970 гг., после чего число солнечных пятен уменьшалось. Следующий максимум ожидается в 1980 г. В настоящее время разработаны методы прогнозирования числа солнечных пятен на много лет вперед и более точно на ближайшие годы. Прогнозирование числа солнечных пятен важно в связи с тем, что, как показали многочисленные измерения, электронная плотность ионосферы изменяется, следуя за циклами солнечных пятен. При этом корреляция наблюдается между усредненными (среднемесячными или среднегодовыми) значениями солнечных пятен и параметрами ионосферы. Особенно сильно изменение деятельности Солнца влияет на ионизацию внешней ионосферы и ее основного максимума - слоя F.