Четких границ ионосферы нет. Некоторое количество заряженных частиц имеется и у поверхности Земли (происхождение их, правда, другое – продукт радиоактивности, электрических разрядов и, частично, космических лучей). Начиная со стратосферных высот, атмосфера содержит ионы «нормального» происхождения – порождение космических лучей (см. разд. 9) и солнечного излучения. Концентрация ионов на высоте 20-30 км может даже превышать концентрацию в нижней части ионосферы. Но все же область высот ниже 50 км никогда не относят к ионосфере, так как для влияния на распространение радиоволн важна концентрация электронов (самых легких заряженных частиц). Ниже 80 км концентрация свободных электронов крайне мала из-за «прилипания» электронов к нейтральным атомам и молекулам.
Когда, наблюдая отражение радиоволн атмосферой, обнаружили, что это отражение происходит от фиксированных высот, то предположили, что имеются слои заряженных частиц – электронных зеркал для радиоволн. Их назвали D, E и F (снизу вверх). Затем выяснилось, что слой F часто дает 2 отражения, поэтому его разделили на F1 и F2. На самом деле никаких выраженных слоев нет. Есть один гладкий профиль концентрации электронов с максимумом на высоте 250-300 км (слой F2). Остальные отражения происходят от областей, где выполняются определенные условия для концентрации электронов и градиента этой концентрации. Оказалось, что разным высотам соответствует разная физика. Поэтому вместо «слой» стали употреблять термин «область»:
D - 60-90 км,
E - 90-130 км,
F1 - 170-200 км,
F2 - 200-400 км.
Иногда выделяют область C (50-60 км). Слой D включает положительные и отрицательные ионы и электроны, ниже нет электронов, выше (область E и т.д.) уже практически нет отрицательных ионов. Все объясняется плотностью газа и частотой столкновений.
Важное свойство: квазинейтральность ионосферной плазмы: [X+]=[X-] + [e]. Следовательно, ниже области D [X+] » [X-], выше области D [X+] » [e]. Здесь [X] обозначает концентрацию нейтральных частиц (число частиц в единице объема. Мы и в дальнейшем будет пользоваться подобными обозначениями), X+, X-, e – соответственно положительные и отрицательные ионы и свободные электроны.
Высотные профили концентрации ионов чрезвычайно изменчивы и зависят от множества факторов (солнечная активность, время суток, время года, и т.д.). Можно сказать, что конкуренция трех основных процессов – ионизации, рекомбинации и динамики атмосферы - создает все многообразие ситуаций, возникающих в ионосфере.
Ионосфера простирается высоко вверх на тысячи километров, меняя состав положительных ионов и постепенно превращаясь в протоносферу. Однако не следует думать, что ионосфера состоит в основном из ионов. Только на высоте 1000 км сравниваются концентрации нейтральных и заряженных частиц.
Ранее считалось, что роль динамических процессов в верхней атмосфере несущественна. Даже слой F2 (как впоследствии оказалось, более всего подверженный действию динамических процессов) ранее считали результатом взаимодействия только ионизации и рекомбинации. Затем (в 60-е годы ХХ века) установили, что в формировании области F2 важную роль играет такой динамический процесс как амбиполярная диффузия (подробнее см. разд. 10.1). Затем обнаружили другой динамический фактор – потоки плазмы из протоносферы (верхней части атмосферы) в ионосферу и обратно. В последнее время для объяснения особенностей в слое F2 привлекают также и нейтральные ветры. Таким образом, ветры, дрейфы (см. ниже), а также волновые движения рассматриваются в качестве причин многих явлений в верхней атмосфере. Под ветрами в верхней атмосфере понимают глобальные по масштабу и медленно меняющиеся во времени движения нейтральных газов. На высоте верхней атмосферы нейтральные ветры в основном обусловлены тепловыми эффектами. В области E (90-130 км) зональный ветер (вдоль параллелей) направлен с востока на запад зимой и с запада на восток летом. Это обусловлено тем, что зимой полярные области на высотах 80-100 км теплее экваториальных, а летом – наоборот.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.