Материал: 751

5. Ионосфера и ее влияние на распространение радиоволн

5.1. Состав и строение ионосферы

Ионосферой называют область атмосферы, расположенную на высотах более 50–60 км над поверхностью Земли. За верхнюю границу ионосферы принимают область высот 15–20 тыс. км, где плотность газа близка к плотности газа в межпланетном пространстве. Область атмосферы, существенно влияющая на условия распространения радиоволн, ограничена меньшими высотами, порядка 1– 1,5 тыс. км. С высот, больших 50 км, газ в атмосфере ионизирован и содержит большое число свободных электронов и положительных ионов. Процесс ионизации состоит в том, что под действием квантов солнечного излуче- ния от нейтральных молекул отрываются электроны, а молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. Условно этот процесс можно выразить соотношением

ного излучения; h 6,62∙10–34 Дж∙с — постоянная Планка;— частота излучения; N2 — положительный ион азота; å — электрон.

Конечно, в ионосфере одновременно с ионизацией происходит и обратный процесс — рекомбинация — воссоединение положительного иона с электроном и образование нейтральной молекулы. С восходом Солнца ионизация преобладает над рекомбинацией и электронная концентрация растет. С заходом Солнца в результате рекомбинации электронная концентрация уменьшается.

Для того чтобы ионизация была возможна, энергия кванта должна быть по крайней мере не меньше работы выхода для молекулы азота. Анализ значений работ выхода газов, составляющих ионосферу, показывает, что ионизацию может совершить лишь ультрафиолетовое излучение Солнца с длиной волны меньше 1000 ангстрем и более короткое — рентгеновское. Ионизацию создают также метеориты, вторгающиеся в земную

атмосферу. Образование ионосферы на определенной высоте над Землей объясняется тем, что энергия ионизирующего излучения уменьшается на пути к Земле за счет ионизации и на поверхности Земли она очень ослаблена. Таким образом, ионосфера защищает Землю от опасного для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучения.

В результате экспериментальных исследований получены полные сведения о строении ионосферы (рис. 5.1). Установлено, что на высоте 250–400 км имеется основной максимум ионизации. Выше и ниже этого максимума электронная плотность убывает. Нижнюю область называют внутренней, верхнюю — внешней ионосферой.

Рис. 5.1. Распределение электронной плотности ионосферы: ночью ———— , днем

Во внутренней ионосфере существует несколько неярко выраженных максимумов концентрации электронов. Они называются слоями и обозначаются символами D, Å, F. Ионосферные слои характеризуются следующими параметрами: плотностью электронов в максимуме ионизации; высотой нижней границы, полутолщиной слоя (высотой от нижней границы до максимума ионизации); числом столкновений электронов с нейтральными молекулами. Данные о слоях ионосферы представлены в табл. 5.1.

Из данных таблицы следует, что слой D — нижний слой — существует лишь днем и зимой и летом. Ночью свободные электроны в нем полностью рекомбинируют с ионами. Слой Å существует всегда, хотя ночью, с заходом Солнца, электронная концентрация в нем уменьшается. Слой Å является самым устойчивым ионосферным слоем, и процессы в нем хорошо описываются современной теорией. Слой F зимой ведет себя подобно слою Å, но электронная концентрация в нем гораздо больше. Летом слой F распадается на два слоя — F1 è F2, причем слой F1 существует только днем. Необходимо иметь в виду, что число электронов даже в максимумах электронной концентрации гораздо меньше числа нейтральных молекул, концентрация которых в области слоя D составляет 1015 ñì–3 и уменьшается до 1010 ñì–3 â ñëîå F2. Этим объясняется такое большое число соударений электронов с нейтральными молекулами за одну секунду (n).

В заключении описания основных физических свойств ионосферы следует отметить, что гипотеза о существовании ионизированной области в верхних слоях атмосферы высказывалась задолго до изобретения радио. Свое косвенное подтверждение она получила в 20-х годах XX века, когда была установлена радиосвязь на коротких волнах между Америкой и Европой. Теория дифракции не может объяснить этот факт из-за малой длины волны. Прямое доказательство существования

ионосферы было получено только в 30-х годах после вертикального зондирования ионосферы радиоимпульсом и приема на Земле отраженного сигнала. Для проведения таких исследований в разных районах Земли было построено много ионосферных станций. Одна из первых в СССР такая станция была построена в Томске при Томском государственном университете. Поскольку сначала было неизвестно общее число ионосферных слоев, то им присваивали названия не с первой буквы, а с некоторым запасом. Первым был открыт слой Å, а ниже его оказался лишь один слой D. По данным ионосферных станций можно определить значения максимальной электронной концентрации в каждом слое. Конечно, эти данные были уточ- нены с началом полетов искусственных спутников Земли. Существование ионосферы оказывает определяющее влияние на распространение радиоволн всех диапазонов, кроме УКВ, но и в нем ионосфера влияет на космическую связь, связь со спутниками, радиоастрономию и т.п.

5.2. Электрические параметры ионосферы

Наличие в верхних слоях атмосферы кроме нейтральных молекул свободных электронов и ионов определяет электри- ческие параметры ионосферы. В целом, ионосфера является электрически нейтральной средой, поскольку число положительных и отрицательных частиц в ней одинаково. В физике такой ионизированный газ называется плазмой. Рассмотрим распространение плоской монохроматической волны в плазме, считая ее однородной.

При прохождении радиоволны через плазму, в данном слу- чае ионосферу, положительные ионы и свободные электроны начинают двигаться упорядоченно в такт с изменением поля волны. Движущиеся в ионосфере заряды можно рассматривать как некоторый конвекционный ток. Плотность конвекционного тока электронов определяется концентрацией электронов в газе Nå и скоростью их движения V:

ãäå å — заряд электрона.

В этом уравнении неизвестна скорость движения электронов V.

Определим ее, используя уравнение движения электрона

ãäå m — масса электрона; — число столкновений электронов с молекулами в единицу времени; åÅ — сила, действующая на электрон со стороны электрического поля волны. Поскольку вектора E è V параллельны, знаки векторов в выражении (5.3) опускаем.

Величина m V характеризует изменение количества движения электронов при соударениях за единицу времени и имеет смысл силы трения.

где — круговая частота электромагнитной волны. В результате подстановки (5.4) в (5.3) получим

eE

V

m( j )

и выражение для конвекционного тока электронов преобразуется к виду

Очевидно, что конвекционный ток положительных ионов будет определяться таким же выражением, только параметры m, e и будут относиться к иону. Поскольку масса иона во много раз больше массы электрона, то током ионов по сравнению с электронным током можно пренебречь.

Представим плазму как вакуум, в котором находятся только заряженные частицы. Присутствием нейтральных молекул можно пренебречь, так как даже в тропосфере, где плотность воздуха гораздо больше, показатель преломления отличается от единицы на миллионные доли. Таким образом, кроме конвекционного тока в ионосфере будет существовать также ток смещения в вакууме

и полный ток будет равен