Transcript Ионосфера Земли

Лекция 6:
Ионосфера Земли
§1. Откуда есть пошла ионосфера.
Что такое ионосфера
800
Дадим предварительное
определение:
ионосфера – это
плазменная оболочка
Земли
(небесного тела вообще).
z, км ночь
день
600
400
200
ne, м-3
0
10
10
10
11
10
12
Околоземная плазма эффективно сосредоточена
(эффективно в смысле e-1) в слое на высоте от
примерно 250 км до 600 км.
С выраженным максимумом концентрации на
высоте ~ 300 км.
Открытие ионосферы имеет свою интересную
историю.
Вывод о существовании в космосе над Землёй
проводящей области был независимо сделан
исходя из наблюдений:
1) вариаций МПЗ,
2) сверхдальнего распространения радиоволн.
Долгое время (до 30-х годов XX ст.) факты 1) и 2)
изучались параллельно и независимо.
Поэтому очень правильное название головного
советского института: ИЗМИРАН
– Институт земного магнетизма, ионосферы и
распространения радиоволн (АН СССР).
История вопроса
Гаусс (Gauss), 1839 – деление МПЗ на внешнюю и внутреннюю
составляющие по отношению в поверхности Земли.
Стюарт (Stewart), 1882 – вывод о существовании в атмосфере
проводящей области, как он предполагал, на высоте ~ 70 км
После радиопередачи Маркони через Атлантический океан (1901 г.) вывод
о наличие в небе отражающего слоя независимо сделали Кеннели
(Kennelly), 1902, и Хэвисайд (Heaviside), 1902. Высоту отражения
оценивали как ~ 80 км.
Прямое наблюдение слоя Кеннели-Хэвисайда (по анализу радиоотражений) произвёл Эпплтон (Appleton), 1925. Он назвал этот слой
«слой Е» (от Electricity). Когда потом открыли слои выше и ниже слоя Е,
их назвали в алфавитном порядке – D, E, F
Теория деления ионосферы на слои принадлежит Чепмену (Chapmen),
1931. Линейную (или -) рекомбинацию придумал Бредбери (Bradbury),
1938.
Долгое время считали, что сверху
ионосфера бесструктурно сливается с
межпланетной средой.
Всё изменилось в космическую эру, когда
прямые спутниковые измерения выявили
отчётливо разные «космические среды»:
ионосферу, магнитосферу и солнечный
ветер.
начало 60-х
ось времени
С пониманием многочисленных тонкостей,
выявившихся в ходе изучения ионосферы Смена парадигмы
дадим более аккуратное определение :
Ионосфера – это область ионизированной
атмосферы выше примерно 50-60 км, где
начало 70-х
плазма уже существенно влияет на
распространение радиоволн.
до космической эры
Граница магнитосферы и ионосферы
«прокладывается» на высотах ~ 1000 км. Условно.
Тем самым плазменная оболочка Земли
подразделяется на внутреннюю и внешнюю:
ионосферу и магнитосферу. Они очень разные.
Во-первых, несопоставимы размеры: ионосфера –
это «тонкая плёнка» в основании магнитосферы.
Во-вторых, плазма сосредоточена таки в
ионосфере, в магнитосфере – хвостик экспоненты.
Совершенно различны управляющие процессы :
ионосфера – это «фотохимический котёл», причём
плазма здесь – малая химическая добавка к
нейтральному газу.
ионы
нейтралы
Т.о., термин ионосфера является
равноправным названием атмосферы в
области высот, где «много плазмы».
В стремлении к строгости
формулировок дадим выхолощенное
определение: ионосфера – это
ионизированная атмосфера Земли на
высотах от
50 км до приблизительно 1000 км.
влияет на радиосвязь
выше - магнитосфера
Ионосфера кометы,
она же наведенная
магнитосфера
§2. Функция ионизации атмосферы.
Пороги ионизации
атмосферных газов
z
Кислород молекулярный, О2:
  0.1028мкм, I  12.06 эВ
Кислород атомарный, О:
  0.091мкм, I  13.61эВ
Азот атомарный, N:
150 км
  0.0852мкм, I  14.54 эВ
Азот молекулярный, N2:
80 км
ионизация
  0.0796мкм, I  15.58 эВ
Идея состоит в том, что ЭУФ поглощение
солнечного излучения приводит к
ионизации. Темп ионизации
пропорционален поглощаемой энергии:
q  A Q
очередная реализация
слоя Чепмена
[эрг/см3 с]
[количество эл.-ион. пар/см3 с]
A 
n что-то типа «количество
 фотоэлектронов на фотон»
Если бы атмосфера состояла из единственного сорта газа, а
солнечное излучение было бы монохроматическим, то функция
ионизации (вертикальное распределение темпа ионизации) повторяло
бы слой Чепмена для поглощённой солнечной энергии:
q  A
~
dI 
z  z0
 qmax exp 1  ~
z  ez , ~
z
dz
H
минимум солнечной активности


На самом деле функция ионизации
представляет собой суперпозицию
индивидуальных (парциальных)
слоёв Чепмена для всех частот
падающего излучения и всех сортов
ионизируемых частиц.
В результате выделяются локальные
максимумы темпа ионизации:
от O2 и от О
зенитный угол = 90
зенитный угол = 33.5
§3. Рекомбинация в атмосфере.
Реакции рекомбинации
Y   e  Y   – радиативная рекомбинация атомных ионов
Y   e  M  Y  M – рекомбинация атомных ионов при тройных соударениях
XY  e  (XY)  X  Y – диссоциативная рекомбинация молекулярных
ионов
На высоте 150 км время жизни электрона по отношению к этим реакциям:
~ 10 лет, ~ 104 лет и ~ 1 мин. Ибо энергию связи надо потратить. Для этого надо,
чтобы было что отколоть и/или запустить – третья частица.
Ионно-молекулярные реакции (по старому «реакции перезарядки»):
O  N2  NO  N
O  O2  O2  O
N  O2  NO  O
Эти реакции идут охотно!
Мораль. Рекомбинация
электронов не всегда идёт
с первичными ионами –
ионизируется одно,
рекомбинируется другое.
Время жизни и время переноса частиц

ne
Основной закон: скорость изменения концентрации
 qe  le    neVe
t
плазмы = ионизация минус рекомбинация минус (плюс)
дрейф
Проанализируем потери плазмы – два последних члена в правой части.
Введём время переноса (диффузии) tD :


ne ne

1 
L2
ne  t D ~
    neVe  D( z ) 
.
2
t t D
z
(2 ) D( z )
 z H e 
Здесь L ~ 100 км – вертикальный масштаб ионосферы.
ne ne
  l , где l – темп рекомбинации (вычисляется далее)
Время жизни tl :
t
tl
Высота
Время жизни tl
(по Брюнелли-Намгаладзе)
Время переноса tD
(по Леонтьеву)
100 км
1 мин (день) – 1 час (ночь)
20 месяцев
200 км
10 мин
4 час
300 км
1-10 час
15 мин
400 км
10 час
2 мин
 - рекомбинация
На высотах Е-области (90-140 км) доминируют реакции рекомбинации:
O2  e  O  O, k1 ~ 3 107 см3/c

7
эффективный коэффициент рекомбинации
NO  e  N  O, k2 ~ 3 10 см /c
 n(O 2 )
n( NO )  2


ne  l   eff ne2
 l  k1ne n(O 2 )  k2 ne n( NO )   k1
 k2
ne
ne 

В равновесии:
Слой Чепмена: слой был – слой
ne
q
2
 0  q  l  q   eff ne  ne 
остался: exp(x)  exp(x / 2)
t
 eff
 - рекомбинация
3
(линейная рекомбинация, рекомбинация Бредбери)
На высотах F-области (>140 км)
прямая рекомбинация очень медленная!
O  e  O  , k3 ~ 1012 см3/c
Вначале происходит обмен зарядом:
O  O2  O2  O, k4 ~ 1011 см3/c
O  N2  NO  N, k5 ~ 1011 см3/c

Потом быстро происходит диссоциация, как в Е-области. Отметим: ne  n(O )
l  k4n(O2 )  k5n( N2 )ne  eff ne  ne  q( z) / eff ( z)
Фотохимический парадокс в F2-области
Выше приблизительно 200 км вступают в игру следующие факторы:
1) Атмосфера становится оптически тонкой I (z) = I,
2) Основным газом становится О, основным ионом О+.
(Эти факторы упрощают анализ взаимодействия ионизирующего
изучения с атмосферой.)
q  l  A    I   k5 n( N 2 )ne
 z0  z 
 z0  z 
A  I   0 (O) exp
  ne k5 n0 ( N 2 ) exp

H
(
O
)
H
(
N
)


2 

больше нуля
g

ne ( z )  const exp ( z  z0 )M ( N 2 )  M (O) 
 kT

Следовательно, при химическом равновесии концентрация плазмы
должна монотонно (экспоненциально!) нарастать с высотой!
Такого не происходит. Абсолютный максимум np достигается при в районе
~ 300 км. Ограничивающим механизмом является амбиполярная
диффузия. Днём плазма дрейфует из области максимума вверх, в
магнитосферу, ночью опускается из магнитосферы вниз.
§4. Строение ионосферы Земли.
Морфологическая структура ионосферы
4 основные области ионосферы связаны с различными управляющими
процессами. Эти процессы (а не простая дифференциация по высоте) лежат в
основе разделения ионосферы на области D,E,F1,F2 и на других планетах.
DEMETER
Січ-2
F2
Січ-1М
F1
E
D-область. 50-90 км. Управляющий
процесс:  - рекомбинация. Сложный
ионный состав, ниже 75 км концентрация
отрицательных ионов превышает
концентрацию электронов.
Е-область. 90-140 км. Управляющий
процесс:  - рекомбинация. Основные
нейтралы О2, N2. Основные ионы О2+,
NО+.
F1-область. 140-200 км. Управляющий
процесс:  - рекомбинация. Основной О+.
D
F2-область. 200-1000 км. В других источниках 200-600 км. Область главного
максимума в распределении электронной концентрации по высоте. Управляющий
процесс: диффузионное (не рекомбинационное!) равновесие. Основной ион О+.
Выше 600 км ионосферу часто называют внешней (topside) ионосферой.
Суточная динамика
800
F1
E
F2
день
ночь
600
день
400
F2
200
F1
E
0
10
ночь
F2
Es
F1
E
10
10
11
10
12
1) Ночью поток плазмы из
внешней ионосферы
обрушивается в «плотную»
термосферу и эффективно
рекомбинирует ниже 200 км
2) Ночью проявляются
спрорадические слои Es
(днём они просто
незаметны на общем фоне)
§5. Вертикальное зондирование
ионосферы.
Электромагнитные волны в плазме
E  Re E0 expi(t  kz) – это волна

 k
 – это закон дисперсии
c 2

  1  p2 – диэлектрическая проницаемость

А это зависимость  от концентрации плазмы:
k
 2   p2
ck /  p
область
отражения
k  ik 
c
k  k
область
распространения
 / p
 p2
4e2
  1 2  1
n
2 p

m

Рассмотрим отражение (зондирующей)
ЭМ волны от плазменного слоя:
x
1
0
nc
np
Точка отражения ЭМ волны.
Определяется условием:  = p(z)
плазменное
ЭМ волна полупространство
z
Метод вертикального импульсного
зондирования ионосферы
z
~ np
p
1 2
3
К объяснению «кажущейся»
высоты отражения:
Вариант 1:
z
Вариант 2:
z
Вариант 3:
z
Этот метод впервые применён Брайтом и
Тьювом (Breit, Tuve), 1925.
Первая ионосферная станция (ионозонд)
основана в Англии в 1932 г.
Сегодня – это всемирная сеть ионозондов.
Принцип работы ионозонда: радиолокация
ионосферы серией импульсов, несущая
частота которых смещается от импульса к
импульсу, покрывая диапазон 1-25 МГц.
необыкновенная
волна
обыкновенная
волна
ход концентрации np
ИОНОГРАММА
To be continued