Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Проще говоря, разным «слоям» (разным высотам) соответствует разная физика процессов, связанных с отражением радиоволн. Поэтому сегодня, говоря об ионосфере, употребляют не термин «слой», а термин «область». Ионосферу разбивают по высоте на облистгк от 50 до 90 км от 90 до 150 км от 150 до 220 км от 220 до 450 км выше 450 км область 0 область Е область Е, область Е, область внешней ионосферы Но возвратимся к определению понятия «ионосфера».
Оно появилось, как было сказано, в связи с исследованиями распространения радиоволн в атмосфере. На их распространение влияет концентрация в атмосфере не ионов, а свободных электронов. С точки зрения радиофизика ионосфера кончается там, где становится слишком малой концентрация именно свободных электронов. По мере понижения высоты, начиная от 50 — 60 км, концентрация свободных электронов в атмосфере начинает быстро уменьшаться вследствие «при- 3.
7. Экскурс в ионосферу зелик 271 липания» этих электронов к нейтральным частицам (с образованием отрицательных ионов). Этот процесс происходит тем активнее, чем больше плотность воздуха. Уже на высоте около 50 км концентрация электронов составляет всего 1О' м ', что посредством радиоволн практически не обнаруживается. Итак, теперь мы можем привести определение понятия ионосферы. Ионосфера — это та часть верхней атмосферы, где концентрацин свободных электронов достаточна, чтобы оказывать заметное влияние на распространение радиоволн.
Концентрация свободных электронов должна быть выше 1Оэ м-'. Строение ионосферы: высотное распределение свободных электронов Строение ионосферы характеризуется тем, как распределены по высоте свободные электроны и ионы. Начнем с распределения электронов. Для этого обратимся к рис. 3.43, на котором показано, как изменяется с высотой Ь концентрация электронов и. Кривая 1 получена для дневного времени, а кривая 2 — для ночного. Как можно видеть, днем концентрация и на порядок и более превышает концентрацию ночью.
На обеих кривых обнаруживается максимум концентрации электронов. Днем концентрация в максимуме равна и, '" =10" м ' и приходится на высоту й, = 350 км. Ночью концентрация в максимуме равна и, '" = 10п м ~ и приходится на высоту й = 400 км. Как видим, высотное распределение электронов в ионосфере существенно изменяется в течение суток, что вполне понятно, поскольку обусловленная солнечным излучением фотоионизация атмосферы происходит днем и не происходит ночью. Не входя в детали, отметим, что ионосфера непрерывно изменяется.
Кроме суточных наблюдаются также другие регулярные изменения ионосферы: сезонные (связаны со сменой времен года), широтные (при перемещении наблюдателя вдоль меридиана) и связанные с многолетними циклами солнечной активности. Кроме того наблюдаются нерегулярные возмущения ионосферы, обусловленные солнечными вспышками. Кривые ! и 2 на рис.
3.43 типичны для средних широт в летнее время в период относительно спокойного Солнца. 272 Глава 3. Электричество в атмосфере Ь,км 1000 500 и, 100 10в !О" 1О" 10' 1О" л,м' Рис. 3.43 Строение ионосферы: высотное распределение ионов Переходя к высотному распределению ионов в ионосфере, отметим прежде всего специфику области ел (высоты от 50 км до 90 км).
Она заключается в том, что, во-первых, здесь наряду с положительными наблюдаются также отрицательные ионы (например, ионы (чО, и (чО,) и, во-вторых, в этой области образуются комплексные ионы типа (Н 0)„Н+ или (Н О)„ХО+, называемые ионами-связками. Они представляют собой связки ионов Н' или ХО' с одной, двумя и более молекулами Н,О. Обратим внимание на то, что выше области г) нет ни ионов- связок, ни каких-либо отрицательных ионов. От 100 км и выме все ионы являются положительными. Их распределение по высоте от 100 до 600 км характеризует рис. 3.44. Кривые на этом рисунке — отнюдь не графики неких закономерностей, а границы, разделяюшие участки, соответствуюшие обозначенным на них ионам. Воспользо- 3. 7.
Зкскурс е ионосферу земли 273 вавшись рисунком, можно для любой выбранной высоты определить для того илн иного иона выраженную в процентах долю его концентрации по отношению к содержанию всех ионов на данной высоте. дни 600 500 100 0 20 40 60 60 100 оА Рис. 3.44 Выбрав для примера высоту 200 км, рассмотрим отрезок прямой АЕ Кривые разбивают его на пять отрезков: АВ (занимает 48 % и дает долю ионов О'), ВС (занимает 7 % — это доля ионов Х'), СР (10% — доля ионов Х,'), РЕ (15% — доля ионов 1ЧО'), ЕГ(20%— доля ионов О;). Из рис. 3.44 следует, что на высотах от 100 км до 130 км (т.
е. внутри области Е) ионный состав атмосферы существенно упрощается по сравнению с областью Р. Здесь ионный состав представлен фактически только ионами О; н ХО' в примерно равных концентрациях. С увеличением высоты появляются также ионы Хз и Х', но особенно сильно возрастает концентрация ионов О', которая на высоте 200 км становится практически равной сумме концентраций ионов ХО' н О;. Концентрация последних с высотой уменьшается, 274 Глава 3. Электричество в атмосфере так что вблизи максимума электронной концентрации, на высоте около 350 км, относительная концентрация ионов О' увеличивается до 90% При 400 км молекулярные ионы полностью отсутствуют, зато наряду с ионами О+ появились ионы Не', а затем и ионы Н+, т.
е. протоны. С дальнейшим увеличением высоты доля протонов будет возрастать все больше и больше. Снизу ионосфера ограничена высотами 50 — 60 км. А что следует считать верхней границей ионосферы? На этот счет нет обшей договоренности, равно как и нет определенности в вопросе о верхней границе земной атмосферы. В качестве верхней границы ионосферы можно рассматривать, например, высоты, при которых начинают преобладать ионы Н' (протоны), т. е. высоты порядка 1000 км. Область верхней ионосферы, расположенную еше выше, часто называют протоносферой.
Обычно, однако, под ионосферой понимают область атмосферы до высот 500 — 600 км, т. е. вкладывают ионосферу в мезосферу и термосферу. Основные физико-химические процессы в ионосфере Ионосферу можно считать в целом стабильной, поскольку ее изменения имеют в основном регулярный характер и при этом остаются практически постоянными параметры основного максимума и, '", п, '", Ьн Ь, (напомним рис. 3.43). Понятно, что сушествование ионосферы нельзя рассматривать как результат только процессов ионизации. Ионосфера сушествует благодаря происходяшим в ней трем основным физико-химическим процессам: фотоионизации, ионна-молекулярным реакциям и рекомбинации.
Эти процессы соответствуют трем стадиям жизни ионов: рождению, преврашениям и уничтожению. Совокупность этих процессов, их взаимодействие — все это как раз и создает разнообразие ситуаций, наблюдаемых в ионосфере. Кроме того важны также процессы диффузии, связанные с перемещением в пространстве электронов и ионов. Роль этих процессов относительно невелика на высотах до примерно 300 км, но возрастает при очень сильном разрежении атмосферы на высотах от 300 — 400 км.
Не имея возможности в данной книге углубляться в вопросы азрономии (современной науки о строении и физико-хи- 3. 7. Экскурс в ионосферу земли 275 мин верхней атмосферы Земли), мы не будем рассматривать диффузию, уделив внимание лишь трем упомянутым выше физико-химическим процессам. С процессами фотоионизации мы познакомились в пункте «Ионизация атмосферы». Там же приведены некоторые ионна-молекулярные реакции (реакции перезарядки) 1см.
(3.36)). Дополним их еше двумя ионна-молекулярными реакциями: О +О, » О'+О; М'+Оз -+ О;+Из. (3.36а) Обратим внимание на то, что в ионна-молекулярных реакциях в ионосфере чаще всего образуются ионы ХО' и О;. Есть несколько типов реакции рекомбинации. С наибольшей вероятностью происходит диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов; (3.37) ХУ' + е > (ХУ)' > Х' + ?'. В реакции (3.37) при соединении молекулярного иона ХУ' с электроном сначала рождается возбужденная нейтральная молекула (ХУ)'; энергия, выделившаяся при рекомбинации, идет на возбуждение молекулы.
Возбужденная молекула нестабильна и тут же распадается на составляющие ее атомы, один из которых может возбудиться. Атомы разлетаются, унося с собой энергию, выделившуюся при рекомбинации. Для ионосферы наиболее важны следующие три реакции диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов: МО +е » ()ЦО) » 1Ч + О; О; + е -» (Оз ) -з О* + О; М1 + е -+ ()ч,) -+ М + 1Ч. Фотоионизация, ионна-молекулярные реакции, диссоциативная рекомбинация — это последовательные этапы превращений основных нейтральных частиц на высотах от 100 км до 300 км (молекул Х и О, и атомов 0). Фотоионизация порождает ионы, а диссоциативная рекомбинация их уничтожает.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
