Что такое ионосфера кратко

Обновлено: 07.07.2024

Атмосфера Земли состоит из нескольких частей, имеющих разный состав. Стратосфера, экзосфера, тропосфера, ионосфера и другие слои защищают все живое на планете от жесткого космического излучения. Не все они имеют в своем составе кислород в количестве, достаточном для дыхания. Но каждая выполняет свои функции. Например, ионосфера – это самый верхний слой атмосферы, расположенный выше 50 километров. Он назван так из-за большого количества ионов, образующихся вследствие воздействия солнечной радиации. Именно они задерживают большую часть космического излучения.

Ионосфера: состав

Этот слой атмосферы состоит из смеси газов. Их там очень мало, поэтому говорят об очень разряженном воздухе на такой высоте. Именно поэтому полеты в этом месте невозможны. Больше всего ионосфера Земли содержит нейтральных атомов азота и кислорода. Но основной ее состав – это квазинейтральная плазма, в которой количество положительно заряженных частиц примерно равно количеству отрицательно заряженных. Таких ионов становится все больше с удалением от Земли. Поэтому ионосферу еще иногда называют плазменной оболочкой Земли.

Основной состав ионосферы от 50 до 100 километров выше поверхности Земли - это кислород, азот и натрий. Но после 100 км в ней начинают преобладать водород и гелий.

Объяснение названия

Ионосфера – это слой атмосферы, названный так из-за высокой степени ионизации. Источником ее являются рентгеновские и ультрафиолетовые солнечные лучи. Ионы – это отрицательно заряженные электроны. В ионосфере их концентрация очень велика. На уровень ионов немного влияет магнитосфера Земли. Но количество ионизированных электронов чаще всего увеличивается во время вспышек на Солнце, а также из-за прохождения мимо Земли различных космических тел, например, метеоритных частиц. В ночное время, когда нет солнечного излучения, на уровень ионизации влияют галактические космические лучи.

Вспышки на Солнце приводят к тому, что к Земле направляется поток элементарных частиц – протонов, электронов. Они воздействуют на все слои атмосферы Земли. Но большая часть жесткого излучения задерживается в ионосфере. При этом резко повышается ее ионизация.

Изучение ионосферы

Этот слой атмосферы был обнаружен в начале 20 века учеными Е. Эпплтоном, М. Барнетом, Г. Брейтом и М. Тьювом. Они установили, что на высоте после 50 километров существует слой газов, отражающих радиоволны. За ним начали наблюдать. Было установлено, что ионосфера постоянно разная. Даже в течение дня ее состав и другие характеристики меняются. Разное количество газов также в завсимости от высоты. Поэтому ионосферу поделили на три слоя.

Но полное представление об особенностях этой части атмосферы человечество смогло получить только во второй половине 20 веке. Изучали ее с наземных ионосферных станций. Потом начали исследовать ее изнутри. Сначала ракеты, потом спутники поднялись в верхние слои атмосферы. И люди смогли понять, что такое ионосфера. Состав ее был изучен благодаря применению с ракет масс-спектрометра. Это также позволило измерить другие параметры:

температуру;
концентрацию ионов;
электропроводность;
источники ионизации;
особенности жесткого солнечного излучения.

Исследуют ионосферу также с помощью радиометодов - изучения отраженных радиоволн. А в последнее время стали применяться спутники, на борту которых есть станции и зонды, исследующие ионосферу сверху. Это позволило составить представление о ее самом верхнем слое, недоступном для изучения с Земли.

Слои ионосферы

Это часть атмосферы тоже неоднородна. В ней различают три слоя с разной степенью ионизации и плотности газов.

В самом нижнем слое, простирающемся до 90 километров, ионизация самая низкая. Воздух здесь ионизируется под влиянием магнитных бурь Земли, а также с помощью рентгеновских лучей Солнца. Поэтому в ночное время ионизация здесь еще сильнее снижается.
Второй слой располагается от 90 до 120 километров. Он характеризуется средней плотностью ионов, которая сильно повышается в дневное время под воздействием солнечного излучения. В этом слое происходит отражение средних и коротких радиоволн. Эту часть ионосферы еще называют слоем Кеннели-Хевисайда, которые впервые изучили его.
Вся остальная ионосфера выше 130 километров составляет третий слой. Максимальный уровень ионизации здесь наблюдается на высоте около 200 километров. Этот слой дает возможность передавать коротковолновое радиоизлучение на большие расстояния. Открыл этот слой английский физик Эпплтон.

Что такое озоновый слой

Ниже ионосферы расположен озоновый слой. Он защищает Землю от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей и от потери тепла. Ученые доказали, что озон полезен для всего живого. Уменьшение его количества или полное отсутствие негативно отражаются на состоянии здоровья людей. Озоновые дыры, которые были обнаружены в конце 20 века, вызывают повышение числа раковых заболеваний. Некоторые ученые связывают такие процессы не с выбросами газов с поверхности Земли, а с разрушением верхних ионизированных слоев атмосферы, которые стали пропускать вредное ультрафиолетовое излучение.

Влияние ионосферы на радиосвязь

Высокая степень ионизации воздуха в этом слое атмосферы может влиять на радиосвязь. Отрицательно заряженные частицы, хаотично двигаясь, могут менять направление радиоволн и даже поглощать их энергию. В результате этого возникают сильные помехи, временное исчезновение радиосвязи или, наоборот, усиление слишимости дальних радиостанций.

Ученые доказали, что именно ионосфера - это тот слой атмосферы, который делает возможным распространение радиоволн. Так получилось, что благодаря этим радоиволнам и был открыт этот слой в 20-е годы 20 века.

Для более точной передачи радиоволн на дальние расстояния необходимо найти в ионосфере точки преломления, отразившись от которых они попадут именно в то место, в какое нужно. Проблема еще и в том, что часть энергии поглощается отрицательно заряженными ионами. С этим связано такое явление, когда длинные волны быстро затухают в ионосфере, а лучше передаются короткие. Кроме того, радиосвязь ухудшается во время магнитных бурь, при которых ионизация уменьшается.

Разрушение ионосферы

Получается, что при запуске космических аппаратов вдоль всей трассы их полета образуется коридор, так называемая ионосферная дыра. В этом месте космические лучи могут проникать в атмосферу и достигать поверхности Земли, отрицательно воздействуя на все живые организмы.

Северное сияние

Ионосфера - это место, где образуется такое удивительное явление, как северное сияние. Оно возникает под влиянием излучений из космоса. Когда заряженные космические частицы, движущиеся к Земле, входят в верхние слои ионосферы, возникает возмущение ионов, которое снизу воспринимается, как красивое переливающееся свечение. На самом деле этот процесс представляет собой нейтрализацию в ионосфере вихрей заряженных частиц, идущих от Солнца. Если бы не этот слой, "солнечный ветер" погубил бы все живое на Земле.

Ионосфе́ра — верхняя часть атмосферы Земли, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, сильно ионизирующаяся вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца.

Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N₂ и кислорода О₂) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли.

Содержание

Структура ионосферы

В зависимости от плотности заряженных частиц N в ионосфере выделяются слои D, Е и F.

Слой D

В области D (60—90 км) концентрация заряженных частиц составляет N_max~ 10²—10³ см −3 — это область слабой ионизации. Основной вклад в ионизацию этой области вносит рентгеновское излучение Солнца. Также небольшую роль играют дополнительные слабые источники ионизации: метеориты, сгорающие на высотах 60—100 км, космические лучи, а также энергичные частицы магнитосферы (заносимые в этот слой во время магнитных бурь).

Слой D также характеризуется резким снижением степени ионизации в ночное время суток.

В D-слое наиболее полно исследован состав кластерных ионов и протекающие с их участием процессы. [1]

Слой Е

Область Е (90—120 км) характеризуется плотностями плазмы до N_max~ 10 5 см −3 . В этом слое наблюдается рост концентрации электронов в дневное время, поскольку основным источником ионизации является солнечное коротковолновое излучение, к тому же рекомбинация ионов в этом слое идёт очень быстро и ночью плотность ионов может упасть до 10³ см −3 . Этому процессу противодействует диффузия зарядов из области F, находящейся выше, где концентрация ионов относительно велика, и ночные источники ионизации (геокороное излучение Солнца, метеоры, космические лучи и др.).

Спорадически на высотах 100—110 км возникает слой E_S, очень тонкий (0,5—1 км), но плотный. Особенностью этого подслоя является высокая концентрации электронов (n_e~10 5 см −3 ), которые оказывают значительное влияние на распространение средних и даже коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы.

Слой E в силу относительно высокой концентрации свободных носителей тока играет важную роль в распространении средних и коротких волн.

Слой F

Областью F называют теперь всю ионосферу выше 130—140 км. Максимум ионобразования достигается на высотах 150—200 км. Однако вследствие диффузии и относительно долгой длительности жизни ионов образовавшаяся плазма распространяются вверх и вниз от области максимума. Из-за этого максимальная концентрация электронов и ионов в области F находится на высотах 250—400 км.

Выше лежащую часть cлоя F называют слоем F₂. Здесь плотность заряженных частиц достигает своего максимума — N ~ 10 5 —10 6 см −3 .

На больших высотах преобладают более лёгкие ионы кислорода (до высот 400—1000 км), а ещё выше — ионы водорода (протоны) и в небольших количествах — ионы гелия.

Особенностью слоя F является то, что он отражает радиоволны, что делает возможным передачу радиосигналов коротковолнового диапазона на значительные расстояния.

Несмотря на то, что ионный состав слоя F зависит от солнечной активности, его способность отражать электромагнитные волны с частотой, меньшей 10 МГц, стабильна.

За открытие слоя F английскому физику Эдварду Виктору Эплтону была присуждена Нобелевская премия по физике в 1947 году.

Моделирование ионосферы

Модель ионосферы представляет собой распределение значений характеристик плазмы в виде функции географического положения, высоты, дня года, а также солнечной и геомагнитной активности. Для задач геофизики, состояние ионосферной плазмы может быть описано четырьмя основными параметрами: электронной плотностью, электронной и ионной температурами и, в силу наличия нескольких типов ионов, ионным составом. Распространение радиоволн, например, зависит исключительно от распределения электронной концентрации.

Обычно модель ионосферы — это компьютерная программа. Она может быть основана на физических законах, определяющих распределение характеристик плазмы в пространстве (учитывающих взаимодействие ионов и электронов с солнечным излучением, нейтральной атмосферой и магнитным полем Земли). Также, она может представлять собой статистическое усреднение большого количества экспериментальной информации. Одной из наиболее часто используемых моделей является модель International Reference Ionosphere (IRI) [2] , построенная на статистической обработке большого количества измерений и способная рассчитывать четыре основных характеристики ионосферы, указанные выше. Проект по созданию и усовершенствованию модели IRI является международным и спонсируется такими организациями, как COSPAR [3] и URSI [4] . Основными источниками данных для модели IRI являются глобальная сеть ионозондов, мощные радары некогерентного рассеяния (находятся на Джикамарке, Арэсибо, Майлстоун Хилл, Малверн и Сан-Сантине), а также спутниковые зонда ISIS и Alouette и точечные измерения с нескольких спутников и ракет. Модель IRI обновляется ежегодно, с появлением новых экспериментальных данных. Эта модель также была в 2009 году принята Международной Организацией по Стандартизации (ISO) за международный стандарт TS16457.

Одним из эффективных методов моделирования ионосферы, является так называемая техника ассимиляции данных. Суть этой методики состоит в корректировке физической модели ионосферы с помощью оперативно получаемых экспериментальных данных. Обычная модель ионосферы, основанная на физике исследуемых процессов, не может охватить всего диапазона факторов, влияющих на состоянии плазмы. Это связано с тем, что некоторые необходимые для этого величины сложно измерить экспериментально (скорости ветра на высотах термосферы, прохождение сквозь атмосферу космических лучей и др.). Кроме того, даже влияние хорошо изученных факторов, таких, например, как солнечная активность, трудно предсказать.

История исследования

Английский физик Оливер Хэвисайд предположил наличие ионизированного слоя в атмосфере в 1902 году. Его теория включала в себя возможность распространения радиосигнала вокруг Земли, несмотря на её кривизну. Независимо от Хэвисайда эксперименты по дальнему приёму коротких волн через Атлантику между Европой и Америкой проводил американский инженер-электрик Артур Кеннели [8] . Они предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Его назвали слоем Хэвисайда — Кеннели, а затем — ионосферой. Возможно, именно предположения Хэвисайда и Кеннели вкупе с законом излучения абсолютно чёрного тела, выведенного Максом Планком, способствовала бурному развитию радиоастрономии с 1932 года (а также послужило отправной точкой при создании высокочастотных систем типа приемник — передатчик).

В последнее время термины для описания слоев атмосферы, такие как ‘стратосфера’ и ‘тропосфера’ все прочнее входят в лексикон научного сообщества . Термин ‘ионосфера’, относящийся к области атмосферы с высокой ионизацией и большими длинами свободных пробегов заряженных частиц, кажется, хорошо подходит в этот ряд.

Лойд Беркнер был первым, кто впервые измерил высоту и плотность ионосферы, что несомненно поспособствовало теории распространения коротких радиоволн. Морис Уилкс и Джон Рэтклифф исследовали распространение очень длинных радиоволн в ионосфере. Виталий Гинзбург разработал теорию распространения электромагнитных волн в плазме в частности в ионосфере. [10]

В 1962 году был запущен канадский спутник Alouette-1 для изучения ионосферы. [11] После его успеха также для измерения и исследования ионосферы были отправлены Alouette-2 в 1965 году и два спутника ISIS [12] в 1969 и 1971 годах.

ИОНОСФЕ́РА (от ионы и сфера ), часть атмосферы Земли с высокой концентрацией (более 1–10 см –3 ) свободных электронов и ионов, энергия которых меньше 1–2 эВ. Электроны, ионы и нейтральные частицы И. образуют ионосферную плазму с достаточно высокой электрич. проводимостью. Нижняя граница И. расположена на высоте ок. 50–70 км над уровнем моря, верхняя граница И. может достигать нескольких десятков тысяч километров. Только благодаря И. возможна радиосвязь на большие расстояния через ионосферный волновод . Влияние И. на распространение радиоволн обусловлено в осн. взаимодействием радиоволн со свободными электронами, концентрация которых в ионосферной плазме определяет границы И. Так, ниже 50 км в атмосфере практически отсутствуют свободные электроны, хотя содержание ионов значительно (см. Ионы в атмосфере ).

Зависимость температуры газа и концентрации свободных электронов от высоты.

Ионосфе́ра, в общем значении — слой атмосферы планеты, сильно ионизированный вследствие облучения космическими лучами. У планеты Земля это верхняя часть атмосферы, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, ионизированная главным образом облучением Солнца.

Ионосфера Земли (здесь и далее речь будет идти об Ионосфере нашей планеты) состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N₂ и кислорода О₂) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров.

Читайте также: