Строение ионосферы Земли
Атмосфера Земли содержит ряд областей, которые имеют относительно большое количество электрически заряженных атомов и молекул. Эти области все вместе называют ионосферой.
Высокоэнергетические рентгеновское и ультрафиолетовое излучения постоянно сталкиваются с молекулами и атомами газа в верхних слоях атмосферы Земли. Некоторые из этих столкновений выбивают электроны из атомов и молекул, создавая электрически заряженные ионы (атомы или молекулы с отсутствующими электронами) и свободные электроны.
Эти электрически заряженные ионы и электроны движутся и ведут себя иначе, чем нормальные, электрически нейтральные атомы и молекулы. Области с более высокими концентрациями ионов и свободных электронов встречаются на нескольких разных высотах и известны как ионосфера.
Строение ионосферы
Существует три основных области ионосферы, которые называются D-слоем, E-слоем и F-слоем. Эти регионы не имеют четких границ, а высоты, на которых они находятся, меняются в течение дня и от сезона к сезону. Область D является самой низкой, начиная примерно с 60 или 70 км над землей и простирается вверх примерно до 90 км. Далее по высоте находится область E, начинающаяся примерно на 90 или 100 км и простирающаяся до 120 или 150 км. Самая верхняя часть ионосферы, область F, начинается примерно на 150 км и простирается далеко вверх, иногда до 500 км над поверхностью нашей планеты.
Области ионосферы не считаются отдельными слоями, такими как более знакомые тропосфера и стратосфера. Они представляют собой ионизированные области, встроенные в стандартные атмосферные слои. Область D обычно образуется в верхней части мезосферы, в то время как область E обычно появляется в нижней термосфере, а область F находится в верховьях термосферы.
Высота, доля ионизированных частиц и даже существование различных областей ионосферы изменяется во времени. Ионосфера сильно отличается в дневное и ночное время. В течение дня рентгеновское излучение ультрафиолетового света от Солнца непрерывно обеспечивает энергию, которая выбивает электроны из атомов и молекул, создавая непрерывный запас ионов и свободных электронов. В то же время некоторые из ионов и электронов сталкиваются и воссоединяются, образуя нормальные, электрически нейтральные атомы и молекулы.
В течение дня создается больше ионов, чем разрушается, поэтому количество ионов в трех областях увеличивается. Ночью при отсутствии солнечного света начинается процесс рекомбинации, и количество ионов уменьшается. В течение большинства ночей область D полностью исчезает, а область E ослабевает по мере того, как количество ионов в этом слое уменьшается. Каждое утро, когда солнечное рентгеновское излучение и ультрафиолетовое излучение возвращаются, области D и E заполняются ионами. Область F с наибольшей высотой сохраняется в течение ночи, но обычно распадается на верхнюю часть F2 и нижний слой F1 в течение дня.
До того, как связь через спутники стала распространенной, операторы систем радиосвязи часто использовали ионосферу для расширения диапазона своих передач. Радиоволны обычно распространяются по прямым линиям, поэтому, если высокая передающая башня не может «увидеть» верхнюю часть приемной башни, искривление Земли ограничивает диапазон радиопередач станциями, которые находятся за горизонтом. Однако некоторые частоты радиоволн отражаются от электрически заряженных частиц в определенных ионосферных слоях. Радиосвязь в то время часто использовала преимущества этого явления, отражая радиоволны от «неба», чтобы расширить диапазон сигналов. Радистам приходилось учитывать постоянные изменения в ионосфере, особенно сдвиги или исчезновение слоев днем и ночью, чтобы эффективно использовать эти зеркальные отражения радиоволн.
Области ионосферы могут поглощать или ослаблять радиосигналы, или они могут изгибать радиоволны, а также отражать сигналы, как описано выше. Конкретное поведение зависит как от частоты радиосигнала, так и от характеристик вовлеченной области ионосферы. Поскольку спутники Глобальной системы определения местоположения (GPS) используют радиосигналы для определения местоположения, точность GPS может быть значительно снижена, когда эти сигналы изгибаются при прохождении через ионосферные регионы. Аналогично, радиосвязь может быть прервана, если используемая частота является такой, что слой ионосферы гасит ее или полностью поглощает, что приводит к ослаблению сигнала или даже полной потере связи Ученые постоянно измеряют и производят компьютерные модели постоянно меняющейся ионосферы, чтобы люди, отвечающие за радиосвязь, могли предвидеть сбои.
Ученые по-разному используют радиоволны для исследования и мониторинга невидимой ионосферы. Различные радиоантенны и радиолокационные системы, как на земле, так и на спутниках, используются для мониторинга постоянно изменяющейся ионосферы. Радио антенны «прослушивают» радиосигналы, генерируемые самой ионосферой, радиолокационные системы обрабатывают сигналы разных слоев, а приемопередатчики, посылая сигналы через ионосферу, определяют, насколько эти сигналы ослаблены или перенаправлены.
Наряду с суточными колебаниями в ионосфере, существуют также сезонные и долгосрочные изменения в этой сложной области ионосферы. В разных широтах тепло и прохладно в зависимости от времени года, поскольку интенсивность солнечного света меняется от места к месту из-за наклона земной оси. Точно так же ионосфера изменяется в зависимости от сезона по мере того, как местоположение пика интенсивности солнечных рентгеновских лучей и ультрафиолетового излучения, которые управляют скоростью образования ионов, перемещается по земному шару.
Сезонные изменения в химическом составе атмосферы также играют роль, влияя на скорость рекомбинационных событий, которые удаляют ионы из атмосферы. В более долгосрочной перспективе 11-летний цикл солнечных пятен оказывает сильное влияние на верхние слои атмосферы, включая ионосферу. Яркость Солнца в видимом диапазоне длин волн изменяется менее чем на 0,1 процента между верхней и нижней точками цикла солнечных пятен.
Тем не менее, рентгеновское излучение и ультрафиолетовое излучение Солнца (УФ) меняются гораздо больше в течение всего солнечного цикла и колеблются в 10 и более раз. Поскольку эти рентгеновские лучи и УФ-излучение контролируют скорость образования ионов, которые производят ионосферу, большие изменения в этих типах излучения приводят к большим изменениям в плотности ионов в областях ионосферы. Кроме того, большие геомагнитные бури, вызванные солнечными вспышками и выбросами корональной массы от Солнца, могут создавать серьезные временные разрушения в ионосфере.