Область D ионосферы

Теперь, когда мы познакомились с основными экспериментальными методами изучения верхней атмосферы, можно вернуться к вопросу о том, почему область D чаще всего называют таинственной. Причин тому несколько. Во-первых, химические процессы в ней гораздо сложнее, чем в более высоких областях ионосферы. Именно здесь огромную роль играют отрицательные ионы, то есть тяжелые частицы с отрицательным зарядом. Положительные же ионы здесь — не просто атомы кислорода или азота, потерявшие электрон, а сложные ионы-связки с участием многих молекул водяного пара. Вот поэтому циклы химических реакций, приводящих к образованию слоя D, очень запутаны и многообразны. А самое главное — очень сложны и трудны измерения свойств слоя D. Поскольку электронов здесь сравнительно мало, от слоя D отражаются только радиоволны длиной в сотни метров. Для того чтобы изучать такие волны, необходимо создавать громоздкие и дорогостоящие передатчики и антенные системы.

Приборы на ракетах, например масс-спектрометры, начинают работать только в очень разреженной среде на высоте около 100 км. Чтобы они действовали в слое D, надо дополнить их специально откачивающими воздух системами. Это, естественно, и конструкцию усложняет, и массу аппаратуры увеличивает. А ведь на счету каждый грамм полезной нагрузки!

Что касается искусственных спутников Земли, то их орбиты обычно проходят не ниже 150 км над Землей. Слой D практически остается вне зоны досягаемости для ионных ловушек, зондов и других приборов, установленных на борту спутника. Вот и получается, что, хотя слой D всего ближе к нам, знаем мы о нем меньше всего.

Область D — самая низкая область ионосферы. А что же выше? Высоты от 90 до 140 км относят к области Е. Здесь плотность воздуха в сотни раз меньше, чем в слое D, а концентрация свободных электронов днем достигает нескольких сотен тысяч в одном кубическом сантиметре. В полдень, когда солнечное излучение особенно эффективно, их может быть даже 100 тыс (105). Кстати, почему этот слой называется Е1 Вышло так, что он был открыт первым. Обнаружен он был по отраженной радиоволне, а электрический вектор в электромагнитной волне в физике обозначается буквой «Е». Вот и назвал руководитель экспериментальной группы в Кембриджском университете Эдуард Эпплтон этот слой слоем Е. Когда стало ясно, что есть и другие слои, ниже и выше слоя Е, их стали называть соответствующими буквами латинского алфавита, идущими до и после буквы «Е».

Свободные электроны образуются на высотах слоя Е под воздействием мягкого рентгеновского излучения Солнца. Ракетные измерения с помощью масс-спектрометров показывают, что основными положительными ионами являются молекулярный кислород (О21) и окись азота (NO+). Ночью концентрация электронов невелика, примерно 100—1000 см-5, но уже около 6 ч местного времени она возрастает в 10 раз, к 12 ч — еще в 10 раз, а затем плавно уменьшается к вечеру и в 18 ч достигает того же уровня, какой был в 6 ч.

Если бы мы двигались вдоль какого-нибудь меридиана, то обнаружили бы наибольшую концентрацию электронов в районе экватора. Эта концентрация плавно уменьшается по направлению к Северному и Южному полюсу.

Слой Е имеет одну интересную особенность. Иногда в этой области вдруг появляются участки толщиной 2—3 км и длиной в десятки и сотни километров. Для них характерно то, что концентрация свободных электронов здесь намного больше, чем в обычном слое Е. Этот дополнительный слой ионизации называют «случайный слой ?» или, более научно, «спорадический слой ?» и обозначают Es. Чаще всего слой Es появляется на высоте около 110 км в высоких широтах — ночью, а в экваториальных— днем; движется он со скоростью 150— 250 км/ч.

Чем обусловлено появление слоя Es, до сих пор пока точно не известно. В Арктических районах этот слой скорее всего связан с вторжением в земную атмосферу потоков частиц высоких энергий, с полярными сияниями и магнитными бурями. В средних широтах характеристики слоя Es, видимо, зависят от количества метеорного вещества, сгорающего в атмосфере на высотах, близких к высотам Es. Возможно, определенную роль в образовании этого слоя играют и сильные грозы. Сравнительно недавно появились данные о том, что спорадический слой возникает в результате вихревых движений, порождаемых ветрами в ионосфере.

Поднявшись выше области Е, мы попадаем в обширную область F, которая распадается иногда (чаще всего летним днем) на две: F1 и F2. Слой F1 занимает интервал высот 140—200км. Вблизи нижней границы слоя преобладающими ионами остаются О2+и NO+, но дальше молекулярных ионов становится все меньше, а атомных — все больше, и у верхней границы основным ионом становится атомарный кислород 0 + . Максимум концентрации свободных электронов обычно приходится на высоту 170—180 км, составляя от 250 тыс. до 400 тыс. см-3.

Слой F2 ионизирован сильнее всех остальных. Здесь находится главный максимум ионосферы, выше которого электронная концентрация начинает уже уменьшаться. На высоте слоя F2 атмосфера настолько разрежена, что, покинув пределы ионизированного атома, электрон может блуждать в одиночестве целые сутки и даже более. В результате электронная концентрация в слое всегда держится на высоком уровне. Даже ночью концентрация свободных электронов превышает 100 тыс, см3, а днем, при солнечном освещении, может достигать нескольких миллионов. Максимум ионизации «плавает» по высоте примерно от 300 км зимой до 400 км летом.

Основными ионами в области F2 являются атомарные азот и кислород (N+ , 0+ ) с сильным преобладанием 0+ . Выше максимума слоя F2 содержание ионов кислорода быстро уменьшается, и в самой внешней части ионосферы доминируют уже ионы водорода, которые, видимо, образуются не только за счет прямой фотоионизации атомов водорода солнечным излучением, но и за счет обмена зарядами между нейтральным водородом и заряженным кислородом. Во внешней ионосфере важную роль играют также ионы гелия.

Привести все имеющиеся для области F2 данные в систему чрезвычайно трудно. Поведение слоя F2, распределение его характеристик в пространстве и во времени до сих пор еще ставят исследователей в тупик. Слой F2 не подчиняется выводам простой теории, с которыми согласуется, скажем, поведение нижележащего слоя. Если считать согласие с теорией нормой, то слой F2 состоит из сплошных аномалий. Вот, например, ясно, что летом ионизирующее излучение Солнца усиливается — больше рождается ионов и электронов каждую секунду. Казалось бы, и электронная концентрация летом должна быть выше. Но в слое F2 все как раз наоборот — концентрация электронов выше зимой. Это сезонная аномалия. В полдень, когда опять-таки радиация Солнца наиболее эффективна для ионизации, в суточном ходе электронной концентрации в области F2 наблюдается не максимум, а минимум, наибольшая электронная концентрация (максимум на кривой суточного хода) в слое F2 отмечается не один раз в сутки (как, скажем, в слое ?), а два раза. Это так называемая суточная аномалия. И, наконец, существует географическая аномалия, проявляющаяся в том, что вблизи экватора отмечается минимум электронной концентрации, хотя должен бы наблюдаться максимум. Максимум и наблюдается, но вовсе не там, где ожидался, а по обе стороны от экватора.

В общем ясно, что распределение концентрации свободных электронов в главном максимуме ионосферы даже приблизительно не соответствует простой теории. В чем же дело? Этот вопрос часто встает перед исследователями. И авторы детективных романов могут только позавидовать искусству анализа и изобретательности исследователей космоса, которые на основе лишь косвенных данных могут представить себе события, происходящие в очень удаленных от наблюдателя областях.

Сейчас уже ясно, что образование слоя F2 зависит не только от мощности потока ионизирующего излучения. Значительную роль играют здесь ветры и электрические поля.


Казимировский Э. С.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: