В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 52
Текст из файла (страница 52)
9.1). Гравитационные волны с периодами от десятка минут до нескольких часов, обнаруживаемые на высотах мезосферы и выше., в основном генерируя>тся тропосферными источниками (атмосферные фронты, тайфуны, струйные течения) и колебаниями земной поверхности. Зимой наблюдаются распространяющиеся от неоднородностей земной поверхности до высот порядка 80 км стоячие планетарные волны с масштабом в полушарие.
Суточная смена нагрева и охлаждения приводит к расширению и сжатию верхней атмосферы с суточным периодом, возбуждая приливные волны, которые вызывают движения среды в горизонтальном направлении со скоростями от 10 — 30 м,!с на высоте 95 км до 100 — 150 м/с на высотах более 200 км. При суточных вариациях воздух растекается от подсолнечной точки и устремляется через полюсы к антиподсолнечной. В области высот 100 — 200 км преобладает полусуточная мода приливного ветра, обязанная своим происхождением распространению термического прилива из стратосферы и мезосферы, вызванного поглощением озоном УФ излучения Солнца.
Особую роль в динамике термосферы играют столкновения нейтральных частиц с ионами, движение которых поперек магнитных силовых линий геомагнитного поля затруднено. Трение нейтральных частиц с ионами, «привязанными» к магнитным силовым линиям, определяет одну из главных гидродинамических сил верхней атмосферы ионное трение. Воздействие солнечного и корпускулярных излучений на верхнюю атмосферу приводит к ионизации и свечению верхней атмосферы.
Свечение па высотах около 100 км подразделяют на ночное, сумеречное и дневное. Свечение атмосферы ночью связано с образованием возбужденных атомов и молекул в результате химических реакций. Обычно возбужденные частицы образуются в результате процессов ионизации, диссоциации, в иоино-молекулярных реакциях и при столкновениях с другими возбужденными частицами. Свечение состоит из непрерывного спектра и линий (эмиссий) атомов и молекул и наблюдается от ИК до УФ области спектра. Большинство эмиссий образуется на высотах около 100 км и наблюдается с космических кораблей как единый светящийся слой.
На низких широтах и высотах около 250 км наблюдается также свечение более слабого второго слоя. Для ночного свечения наиболее интенсивны в видимой области спектра линии атомарного кислорода (красные - - 630-.636,4 нм и зеленая . 557,7 нм), а также О-линия Гл. 1б. Верхняя атмосферс>, ионосфера и ближний космос 291 натрия (589,3 нм).
В ближней ИК области спектра достаточно интенсивна группа вращательпо-колебательных полос гидроксила. В дневное и сумеречное время свечение обусловлено также и флюоресценцией под действием солнечного излучения. Ионосфера Часть атмосферы, где велика концентрация ионов и электронов и существенно возрастает проводимость, называется ионосферой.
По мере открытия слоев (областей) ионосферы их обозначали различными большими буквами латинского алфавита. Таких областей в ионосфере несколько, и опи не имеют четко выраженных границ. Верхний слой 1' соответствует главному максимуму ионизации, который поднимается до высот 300 400 км ночью, а днем (преимущс>отвеяно летом) раздваивается на слои Г> и Г2 с максимумами на высотах 160 — 200 км и 220 — 320 км.
На высотах 90 150 км находится область Е, а ниже 90 км область О. Выше области г' электронная концентрация постепенно уменьшается до высот 15 — 20 тыс, км (так называемая плазмопауза), а выше уменьшается более резко и переходит к низким электронным концентрациям межпланетной среды. Типичные зависимости электронной концентрации от высоты в логарифмическом масштабе схематично изображены на рис. 15.1. Отметим, что величина электронной концентрации существенно меняется в зависимости от времени суток., сезона, солнечной активности, геомагнитных возмущений, солнечного ветра и других факторов. Например, максимальная концентрация в максимуме Р' слоя может варьироваться в пределах двух порядков. Наблюдаемая электронная концентрация практически совпадает с концентрацией ионов, так как среда остается в целом электропейтральной. Масштаб разделения зарядов в ионосфере (дебаевский радиус) варьируется в пределах от миллиметров до сантиметров.
Температура ионной Т; и электронной Т„подсистем в ионосфере различак>тся. Установлено, что Те и Т; достаточно быстро растут до области Рг, выше рост Т; замедляется. Существуют спокойные и возмущенные состояния ионосферы. Структура спокойной ионосферы регулярно изменяется в течение дпя, сезона и 11-летнего солнечного цикла. От минимума к максимуму солнечного цикла возрастает электронная концентрация, растут температура и высота ионосферных слоев. Характеристики ионосферы заметно изменяются с широтой.
Принято выделять среднеширотную, экваториальную, авроральную и полярную ионосферы. >о' 292 Вл. 15. Вериная аеамоефера, ионосфера и блилеиий иоемое 1000 ооо эоо- 700; бОО 500 400 ' зоо а Д 200 нь 20 70 бО 50 10' 10' 10 а 10 а 10" 10" Электронная концентряшая, эл/ч Рис.
15.1. Типичные высотные зависимости электронной концентрации в ионосфере Существующие в ионосфере ионы и электроны образуются двумя конкурирующими процессами ионизации и рекомбинации, источники которых различаются в разных областях ионосферы. Главным источником ионизации дневной ионосферы является коротковолновое излучение Солнца (Л < 103,8 нм), однако существенны также и корпускулярные потоки галактических и солнечных космических лучей. Плотность почти всех компонент воздуха монотонно спадает с высотой, в то время как интенсивность ионизирующего излучения нарастает (поток энергии уменьшается по направлению к Земле по мере проникновения в глубь атмосферы).
Отсюда каждый тип ионизующего излучения имеет максимум новообразования в соответствующей области Гл. 15. Верхняя атамоефера, ионосфера и ближний космос 293 высот. Коротковолновое излучение с Л = 8,5 — 91,1 нм большую часть ионов образует на высотах 120 200 км, тогда как излучение с Л = (91,1-103,8 нм вызывает максимум ионизации на высотах гчобласти (95 — 115 км), а рентгеновское излучение с Л короче 8,5 пм имеет максимум новообразования в области Р на высотах 85 100 км.
Существенный вклад в ионизацию области Р на высотах около 80 км вносят солнечное излучение первой линии серии Лаймана (1,„водорода с Л = 121,57 нм) и корпускулярные потоки (в частности, электроны с энергией < 30 40 кэВ). В нижней части области Р (ниже 60-70 км днем и ниже 80-90 км ночью) ионизация осуществляется галактическими космическими лучами. Ниже, вблизи тропопаузы на высоте около 15 км находится еще один максимум скорости образования ионов под действием самых вьи:окоэнергичвых частиц —. галактических космических лучей и продуктов ядерных реакций (максимум Пфотцера). На этих высотах возникает слой иопизации с концентрацией ионов 6 10в см з. Скорость ионообразования на высоких широтах больше, чем на средних и экваториальных, и возрастает при переходе от максимума к минимуму солнечного цикла в соответствии с изменением интенсивности космических лучей.
К высотам 50 — 70 км эта величина уменыпается на 3 — 4 порядка, но остается выше, чем скорость ионообразования под действием других источников иопизации. Процессом, обратным ионизации, является процесс рекомбинации. Механизмы рекомбинации изменяются с высотой. На основных высотах ионосферы происходит диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов (нейтрализация иона электроном с последующей диссоциацией молекулярного иона). На высотах ниже 70 км преобладает процесс взаимной нейтрализации ионов разных знаков или ион-ионная рекомбинация, с участием стабилизирующей нейтральной частицы. Выше 1000 км эффективна радиативная рекомбинация (нейтрализация атомного иона электроном с излучением фотона), где концентрация атомных ионов на 5 порядков выше концентрации молекулярных.
Суммарная скорость исчезновения ионов характеризуется эффективным коэффициентом рекомбинации, который определяет величину электронной концентрации и ее динамику. Величина эффективного коэффициента рекомбинации заметно меняется в различных областях ионосферы. Наряду с процессами ионизации и рекомбинации в области 7г существенны процессы амбиполярной диффузии и дрейфового переноса. 294 Вл. !б. Верхняя атмосфера, ионосфера и блихсний космос Ионный состав ионосферы отличается от первичного ионного состава, образующегося при ионизации верхней атмосферы солнечным излучением, в связи с названными физико-химическими процессами ионизации, рекомбинации и иопно-молекулярными реакциями. Данные процессы отличаются в разных областях ионосферы, что приводит к изменению ионного состава по высоте.
Днем на высотах 85 — 200 км преобладают молекулярные ионы НО+ и 02~, в области Е (выше 200 км) атомарный кислород О+, а выше (600-.1000 км) .- протоны Н+. Ниже 70 80 км в основном образуются комплексные ионы-гидраты и отрицательные ионы. В нижней части области Е на высотах 90--95 км часто появляется дополнительный максимум Е„принадлежащий так называемому спорадическому Е-слою.
Спорадический слой образуется в основном ионами металлов М8", Ге+, Са+ (с примесью 81+, На+, А!э и %"), происхождение которых связывают с дроблением метеоров на этих высотах [55]. Изменение по высоте концентрации и состава нейтральных частиц верхней атмосферы определяет основные закономерности изменения параметров ионосферы: степени ионизации, ионного состава и эффективного коэффициента рекомбинации. В области Р наблюдаются низкие значения электронной концентрации (А'е ( 109 см в). ВысокаЯ концентРациЯ нейтРальных атомов и молекул Аст, а следовательно, и высокая частота столкновения с ними электронов вызывает сильное поглощение радиоволн (пропорционвльное произведению Ати), что нередко прерывает коротковолновую радиосвязь.
В волноводе между поверхностью Земли и Р-слоем, могут распространяться длинные и сверхдлинные радиоволны. Ночью электронная концентрация в области Р существенно падает и соответственно уменьшается поглощение радиоволн, поэтому раньше считали. что ночью слой Р исчезает. При солнечных вспышках сильно возрастает интенсивность рентгеновского излучения, которое увеличивает ионизацию области Р, что приводит к увеличению поглощения радиоволн, а иногда даже к прерыванию радиосвязи (так называемое внезапное ионосферное возмущение эффект Делинджера). Продолжительность подобных возмущений обычно 20 — 90 минут.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
