Лекция 6: Ионосфера Земли презентация

вообще).

Околоземная плазма эффективно сосредоточена (эффективно в смысле e-1) в слое на высоте от примерно 250 км до 600 км.
С выраженным максимумом концентрации на высоте ~ 300 км.

Землёй проводящей области был независимо сделан исходя из наблюдений:
1) вариаций МПЗ,
2) сверхдальнего распространения радиоволн.

Долгое время (до 30-х годов XX ст.) факты 1) и 2) изучались параллельно и независимо.

Поэтому очень правильное название головного советского института: ИЗМИРАН
– Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (АН СССР).

по отношению в поверхности Земли.

Стюарт (Stewart), 1882 – вывод о существовании в атмосфере проводящей области, как он предполагал, на высоте ~ 70 км

После радиопередачи Маркони через Атлантический океан (1901 г.) вывод о наличие в небе отражающего слоя независимо сделали Кеннели (Kennelly), 1902, и Хэвисайд (Heaviside), 1902. Высоту отражения оценивали как ~ 80 км.

Прямое наблюдение слоя Кеннели-Хэвисайда (по анализу радио-отражений) произвёл Эпплтон (Appleton), 1925. Он назвал этот слой «слой Е» (от Electric). Когда потом открыли слои выше и ниже слоя Е, их назвали в алфавитном порядке – D, E, F

Теория деления ионосферы на слои принадлежит Чепмену (Chapmen), 1931. Линейную (или β-) рекомбинацию придумал Бредбери (Bradbury), 1938.

История вопроса

аккуратное определение :
Ионосфера – это область ионизированной атмосферы выше примерно 50-60 км, где плазма уже существенно влияет на распространение радиоволн.

Долгое время считали, что сверху ионосфера бесструктурно сливается с межпланетной средой.

Всё изменилось в космическую эру, когда прямые спутниковые измерения выявили отчётливо разные «космические среды»: ионосферу, магнитосферу и солнечный ветер.

до космической эры

начало 60-х

начало 70-х

Смена парадигмы

ось времени

самым плазменная оболочка Земли подразделяется на внутреннюю и внешнюю: ионосферу и магнитосферу. Они очень разные.

Во-первых, несопоставимы размеры: ионосфера – это «тонкая плёнка» в основании магнитосферы.

Во-вторых, плазма сосредоточена таки в ионосфере, в магнитосфере – хвостик экспоненты.

Совершенно различны управляющие процессы : ионосфера – это «фотохимический котёл», причём плазма здесь – малая химическая добавка к нейтральному газу.

«много плазмы».

В стремлении к строгости формулировок дадим выхолощенное определение: ионосфера – это ионизированная атмосфера Земли на высотах от
50 км до приблизительно 1000 км.

уже влияет на радиосвязь

выше - магнитосфера

Ионосфера кометы, она же наведенная магнитосфера

том, что ЭУФ поглощение солнечного излучения приводит к ионизации. Темп ионизации пропорционален поглощаемой энергии:

[эрг/см3 с]

[количество эл.-ион. пар/см3 с]

что-то типа «количество фотоэлектронов на 1 фотон»

очередная реализация
слоя Чепмена

Азот атомарный, N:

бы монохроматическим, то функция ионизации (вертикальное распределение темпа ионизации) повторяло бы слой Чепмена для поглощённой солнечной энергии:

На самом деле функция ионизации представляет собой суперпозицию индивидуальных (парциальных) слоёв Чепмена для всех частот падающего излучения и всех сортов ионизируемых частиц.

В результате выделяются локальные максимумы темпа ионизации:
от O2, от О + N2

минимум солнечной активности

зенитный угол = 90°

зенитный угол = 33.5°

соударениях

– диссоциативная рекомбинация молекулярных
ионов

На высоте 150 км время жизни электрона по отношению к этим реакциям:
~ 10 лет, ~ 104 лет и ~ 1 мин. Ибо энергию связи надо потратить. Для этого надо, чтобы было что отколоть и/или запустить – третья частица.

Ионно-молекулярные реакции (по старому «реакции перезарядки»):

Эти реакции идут охотно!

Мораль. Рекомбинация электронов не всегда идёт с первичными ионами – ионизируется одно, рекомбинируется другое.

(плюс) дрейф

Время жизни и время переноса частиц

Проанализируем потери плазмы – два последних члена в правой части.
Введём время переноса (диффузии) tD :

Здесь L ~ 100 км – вертикальный масштаб ионосферы.

Время жизни tl :

где l – темп рекомбинации (вычисляется далее)

коэффициент рекомбинации

α - рекомбинация

На высотах Е-области (90-140 км) доминируют реакции рекомбинации:

В равновесии:

β - рекомбинация

(линейная рекомбинация, рекомбинация Бредбери)

На высотах F-области (>140 км)
прямая рекомбинация очень медленная!

факторы:
Атмосфера становится оптически тонкой I (z) = I∞,
Основным газом становится О, основным ионом О+.
(Эти факторы упрощают анализ взаимодействия ионизирующего изучения с атмосферой.)

Следовательно, при химическом равновесии концентрация плазмы должна монотонно (экспоненциально!) нарастать с высотой!

Такого не происходит. Абсолютный максимум np достигается при в районе ~ 300 км. Ограничивающим механизмом является амбиполярная диффузия. Днём плазма дрейфует из области максимума вверх, в магнитосферу, ночью опускается из магнитосферы вниз.

больше нуля

ионный состав, ниже 75 км концентрация отрицательных ионов превышает концентрацию электронов.

Е-область. 90-140 км. Управляющий процесс: α - рекомбинация. Основные нейтралы О2, N2. Основные ионы О2+, NО+.

F1-область. 140-200 км. Управляющий процесс: β - рекомбинация. Основной О+.

F2-область. 200-1000 км. В других источниках 200-600 км. Область главного максимума в распределении электронной концентрации по высоте. Управляющий процесс: диффузионное (не рекомбинационное!) равновесие. Основной ион О+.

Выше 600 км ионосферу часто называют внешней (topside) ионосферой.

4 основные области ионосферы связаны с различными управляющими процессами. Эти процессы (а не простая дифференциация по высоте) лежат в основе разделения ионосферы на области D,E,F1,F2 и на других планетах.

термосферу и эффективно рекомбинирует ниже 200 км

2) Ночью проявляются спрорадические слои Es (днём они просто незаметны на общем фоне)

(зондирующей) ЭМ волны от плазменного слоя:

Точка отражения ЭМ волны.
Определяется условием: ω = ωp(z)

Tuve), 1925.
Первая ионосферная станция (ионозонд) основана в Англии в 1932 г.
Сегодня – это всемирная сеть ионозондов.

Принцип работы ионозонда: радиолокация ионосферы серией импульсов, несущая частота которых смещается от импульса к импульсу, покрывая диапазон 1-25 МГц.

К объяснению «кажущейся» высоты отражения: