Ионосфера земли строение и возникновение ионосферных слоев: Ионосфера — верхняя часть атмосферы Земли

Ионосфера — верхняя часть атмосферы Земли

Ионосфера (от слова «ионы») — верхняя часть атмосферы Земли, расположенная выше 50 км, сильно ионизированная из-за излучения космическими лучами, исходящими от Солнца. Состав ионосферы — это смесь газов нейтральных атомов и молекул (большей частью кислорода О2 и азота N2) в сочетании с квазинейтральной плазмой. Степень ионизации существенно увеличивается с высоты 60 километров. Вследствие наблюдений было установлено, что ионосфера постоянно изменяется. Содержание в единице объема электронов и ионов в ионосфере по высоте распределяется неравномерно, поэтому ионосфера разделяется на слои D, Е и F, которые не имеют четко обозначенных границ. Их расположение и насыщенность постоянно изменяются в течение суток, сезона и одиннадцатилетнего солнечного цикла. В ионосфере наблюдается рост температуры и электронной концентрации до слоя F. В верхней части слоя F рост температуры замедляется, а электронная концентрация уменьшается постепенно до высот 15 — 20 тысяч километров (до плазмопаузы), а потом резко падает в межпланетной среде.

Слой D находится на высотах от 60 до 90 км, это область слабой ионизации. На ионизацию здесь влияет, в основном, рентгеновское излучение Солнца, а также дополнительные слабые источники ионизации: космические лучи, метеориты. Для слоя D характерно резкое снижение степени ионизации ночью.

Слой Е находится на высотах от 90 — 120 км, характеризуется большими плотностями плазмы. Основной источник ионизации – это солнечная коротковолновая радиация, поэтому в дневное время происходит рост концентрации электронов, а в ночное – падает. Так как в слое E существует высокая концентрация свободных носителей, то он имеет большое значение в распределении средневолнового и коротковолнового излучения.

Слой F располагается выше 130 — 140 км. Максимальное ионообразование происходит на высотах 150 — 200 км. Образовавшаяся плазма вследствие диффузии переносится вверх и вниз из области максимума, поэтому наибольшая концентрация электронов и ионов сосредоточена на уровне 250 — 400 км над уровнем моря. На высотах от 400 до 1000 км наибольшая концентрация лёгких ионов кислорода, а ещё выше — ионов водорода (протонов) и в небольших количествах ионов гелия. Слой F характеризуется способностью отражать радиоволны, что дает возможность передавать радиосигналы коротковолнового диапазона на большие расстояния. Ионный состав слоя F определяется солнечной активностью, но это не влияет на стабильность отражения электромагнитных волн с частотой меньше 10 МГц.

Северное сияние

Ионосфера не является препятствием, которое не пропускает ультрафиолетовые лучи, она сама формируется с помощью этих лучей, так как ультрафиолетовое излучение является одной из причин ионизации. При процессе ионизации основная часть ультрафиолета поглощается, а остальная часть не представляет опасности для всего живого на Земле. В ионосфере появляются предвестники землетрясений. Это сложное сочетание явлений электромагнитной природы, которые регистрируются при помощи специальных приборов. Под влиянием возмущений из космоса в ионосфере возникают различные сияния, одно из них — северное сияние.

Это очень красивое зрелище. Северное сияние возникают под воздействием бомбардировки заряженными частицами верхних слоёв ионосферы, которые движутся к Земле из космического пространства.

Похожие материалы:

Анализ данных об ионосфере выявит климатические тренды Томской области

Ученые кафедры космической физики и экологии РФФ ТГУ анализируют большие данные об ионосфере над Томской областью, накопленные за 80 с лишним лет. Одним из главных параметров исследований является солнечная активность, которая оказывает определяющее влияние на формирование климата и хорошо видна для изучения основных параметров ионосферы. Данные, полученные в рамках проекта при поддержке РФФИ, помогут больше узнать об устойчивости экосистемы Земли.

Ионосфера (верхний слой атмосферы) – это защитный экран Земли, который ограждает планету от факторов внешнего воздействия – в первую очередь, от Солнца. Ионосфера поглощает около 90 процентов его энергии, благодаря чему наша планета не «горит», как Марс, у которого нет атмосферы, или Венера, имеющая слабую защитную оболочку.

– Томская ионосферная станция, созданная на базе СФТИ ТГУ в 1936 году, имеет самый длинный и непрерывный ряд наблюдений в мире, измерения не прекращались даже в годы Великой Отечественной войны, – рассказывает заведующий кафедрой космической физики и экологии РФФ ТГУ Сергей Колесник. – Изучение ионосферы, помимо фундаментального научного значения, имеет практическую ценность. В первую очередь, данные о верхних слоях атмосферы важны для обеспечения радиосвязи, как гражданской, так и военной. В нашем проекте накопленный массив данных используется для выделения климатических трендов в Томской области.

Ионосфера является холодной плазмой, она электрически нейтральна – содержит равное количество положительных и отрицательных частиц. Ее параметры меняются в зависимости от времени суток, года, солнечной активности, а также широты, долготы и высоты.

В зависимости от высоты в ионосфере выделяют области D (60—110 км), E (110–120 км) и F2 (200–500 км), где плотность заряженных частиц достигает максимума. На первом этапе проекта радиофизики исследовали изменение основных параметров ионосферы – критическую частоту и действующую высоту верхней части ионосферы – слоя F2. Ученые установили, что изменения в данной области происходят с периодичностью 55 лет, что составляет пять полных 11-летних солнечных циклов.

– Согласно результатам анализа концентрация электронов в слое F2 снижается, но ее изменения столь незначительны, что говорить о каких-то существенных тенденциях к изменению климата в нашем регионе пока не приходится, – отмечает Сергей Колесник. – В 2019 году будет произведен анализ данных, накопленных о слое E, который располагается значительно ближе к Земле.

Третьим этапом проекта станет изучение аспекта, по которому пока мало данных, – это влияние на ионосферу «звездных ливней».

Ученые РФФ будут исследовать появление спорадических образований – электрически заряженных частиц железа, золота, магния и некоторых других элементов, являющихся нехарактерными для атмосферы планеты. Известно, что они появляются в ионосфере под влиянием метеоритных дождей, во время которых потоки камней горят в атмосфере, провоцируя дополнительную ионизацию. Ученые постараются определить закономерности появления спорадических образований, их временные и пространственные масштабы.

По словам Сергея Колесника, присутствие ионов, не характерных для атмосферы Земли, не оказывает особого воздействия на людей, так как это краткосрочное явление. Вместе с тем оно влияет на другие сферы деятельности человека, такие как радиосвязь, или просто на формирование электромагнитного фона окружающей среды.

Добавим, что в мае 2019 года ионозонд «Томион», с помощью которого проводятся исследования, был представлен на выставке «MetrolExpo–2019» в рамках Московского международного инновационного форума «Точные измерения – основа качества и безопасности 2019». Группа разработчиков (руководитель – Сергей Колесник) была награждена платиновой медалью за высокое качество ионозонда «Томион» как средства измерения параметров ионосферы Земли.

Фото с сайта «Планета Земля».

Ионосфера (термосфера)

ТЕРМОСФЕРА — верхний слой земной атмосферы, располагающийся над мезосферой (выше 80—85 км) и совпадающий с ионосферой. Для Т. характерно повышение температуры с высотой: от -80, -100°С на высоте 80—85 км до 950°С на высоте 200 км и 1000°С на высоте 300 км.

[ …]

ИОНОСФЕРА — слой атмосферы (от 80 до 500 км от поверхности Земли), выделяемый в пределах термосферы и отличающийся значительным количеством ионизированных молекул и атомов атмосферных газов и свободных электронов.[ …]

Ионосфера (термосфера) — располагается до высоты 800 км, и для нее характерно значительное повышение температуры (более 1000°С). Под действием ультрафиолетового излучения Солнца газы находятся в ионизированном состоянии. С ионизацией связано свечение газов и возникновение полярных сияний. Ионосфера обладает способностью многократного отражения радиоволн, что обеспечивает дальнюю радиосвязь на Земле.[ …]

Ионосфера (термосфера) достигает высоты 800 км. Для нее ха-рактерно значительное повышение температуры (до 1000°С и более). Под прямым воздействием ультрафиолетового излучения газ здесь присутствует в ионизированном состоянии, что способствует многократному отражению радиоволн, обеспечивающих дальнюю радиосвязь на Земле.[ …]

Ионосфера (термосфера) — слой атмосферы, простирающийся на высоте от 80 до 800 км, для которого характерно значительное повышение температуры. На высоте 200 км температура составляет 500°С, а на высотах более 600 км достигает 1500°С. Под действием ультрафиолетовой солнечной радиации происходит ионизация газов, вызывающая диссоциацию молекул кислорода и азота. Отмечается высокое содержание молекулярных и атомарных ионов и свободных электронов. В ионосфере наблюдаются полярные сияния и магнитные бури, влияющие на состояние живых организмов в биосфере.[ …]

От 40 до 1300 км расположена ионосфера — слой ионизированного газа, определяющего отражение и прохождение радиоволн и снижающего интенсивность идущей к Земле космической радиации (этот слой часто разделяют на мезосферу — до 80 км, и термосферу).[ …]

Выше мезосферы располагается термосфера (от 80 до 800 км). Температура в этом слое повышается: на высоте 150 км — до +220 °С; 600 км — до +1500 °С. Газы атмосферы (азот и кислород) находятся в ионизированном состоянии. Под действием коротковолновой солнечной радиации отдельные электроны отрываются от оболочек атомов. В результате в ионосфере возникают слои заряженных частиц. Самый плотный их слой находится на высоте 300—400 км. В связи с небольшой плотностью солнечные лучи там не рассеиваются, поэтому небо черное, на нем ярко светят звезды и планеты.[ …]

Атмосферные слои внутри тропосферы и ионосферы см. под этими рубриками. Переходные слои или границы между основными атмосферными слоями носят названия: между тропосферой и стратосферой — тропопауза, между стратосферой и мезосферой — стратопауза, между мезосферой и термосферой — мезопауза. См. эти термины.[ …]

За мезосферой следует мезопауза, а потом — термосфера или ионосфера. Для нее характерно существенное повышение температуры с высотой. На высоте 600 км температура равна +1500° С, однако тела в ионосфере нагреваются примерно до +200° С.[ …]

ВЫСШИЕ СЛОИ АТМОСФЕРЫ. Обычно имеются в виду термосфера, ионосфера и экзосфера, в отличие от верхних слоев атмосферы и высоких слоев атмосферы.[ …]

Следующий слой атмосферы — мезосфера, заканчивающийся мезопаузой. Выше находится термосфера, которую часто называют ионосферой, т. к. газы здесь находятся в ионном состоянии. Наиболее интенсивно процесс ионизации происходит в диапазоне высот от 60-80 до 220-400 км. Эти слои оказывают влияние на распространение радиоволн. Самая верхняя часть атмосферы — экзосфера.[ …]

Стратопауза отделяет стратосферу от лежащей выше мезосферы. Выше мезосферы расположена термосфера. (или ионосфера), между ними имеется мезопауза. Для термосферы характерно непрерывное повышение температуры с увеличением высоты. На высоте 150 км температура достигает 200-240 °С, на уровне 200 км — 500 °С, а на высоте 500-600 км превышает 1500 °С. В термосфере газы очень разрежены. Молекулы их движутся с большой скоростью, но редко сталкиваются между собой и поэтому не могут вызвать даже небольшого нагревания находящегося здесь тела.[ …]

Структура атмосферы складывается из двух частей: внутренней— тропосферы, стратосферы, мезосферы и термосферы, или ионосферы, и внешней — магнитосферы (экзосферы). [ …]

Верхняя часть атмосферы над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и носит название термосферы. В ней различают две части: ионосферу, которая простирается до высоты порядка тысячи километров и лежащую над ней экзосферу, переходящую в земную корону. Ионосфера отличается очень сильной ионизацией воздуха.[ …]

ВЕРХНИЕ СЛОИ АТМОСФЕРЫ. Слои атмосферы на больших высотах над земной поверхностью: стратосфера, мезосфера, термосфера, ионосфера, экзосфера.[ …]

Атмосфера — газовая оболочка планеты. В атмосфере по высоте выделяют 5 слоев: тропосфера, стратосфера, мезоофера, термосфера (ионосфера) и экэоофера. Полагают, что ва высоте 60-100 тыс. км земная атмосфера переходит в солнечную. Общая масса атмосферы составляет 5,15 Ю 5 т, из которой 80-90 % размещается в тропоофере.[ …]

При дальнейшем движении на активном участке полета по траектории PH проходит через тропосферу, стратосферу и нижнюю часть ионосферы (термосферу). Кроме перечисленных факторов техногенного воздействия на окружающую среду на стартовом участке имеют место специфические, наиболее значимые факторы воздействия на атмосферу на активном участке полета: образование ударных волн и скачков уплотнения при движении PH, достигшей трансзвуковых и сверхзвуковых скоростей, и как следствие газодинамическое возмущение атмосферы; разрушение озонового слоя в стратосфере; уменьшение концентрации заряженных частиц в ионосфере; падение отработавших ступеней PH на Землю по трассам пуска и т. д.[ …]

В мезосфере, отделенной от стратосферы стратопаузой, количество озона уменьшается, средняя температура там значительно ниже (на высоте 80 км она равна —70 °С). Выше расположена ионосфера (или термосфера), где с увеличением высоты температура непрерывно увеличивается и достигает на высоте 150 км — 200-240 °С, 200 км — 500 “С, 500-600 км — 1500 °С‘.[ …]

В верхней атмосфере наблюдаются сильные суточные вариации температуры. Амплитуды суточных вариаций и среднесуточные значения температуры растут с высотой, выходя на постоянные значения выше 300 км. В термосфере высоких широт наблюдаются сильные токи, обусловленные возникающими в магнитосфере и переносимыми в ионосферу электрическими полями. Джоулев нагрев этими токами и выделение тепла при высыпании энергичных частиц оказывают заметное влияние на глобальное распределение температуры. Влияние джоулева нагрева возрастает в период магнитных бурь. Перераспределение температур вызывает при этом резкие перестройки термосфер-ной циркуляции и скорости ветра, достигающие 500-600 м/с на высотах более 120 км. [ …]

Человечество обитает на дне Великого воздушного океана, который является оболочкой непрерывно, полностью окружающей земной шар. Наиболее изученный участок атмосферы простирается от уровня моря до высоты 100 км. В целом атмосфера делится на несколько сфер: тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера (термосфера), экзосфера. Границы между сферами называют паузами (рис. 13). По химическому составу атмосфера Земли подразделяется на нижнюю (до 100 км) —гомосферу, имеющую состав, сходный с приземным воздухом, и верхнюю — гетеросферу, неоднородного химического состава. В атмосфере кроме газов присутствуют различные аэрозоли —пылеватые или водяные частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в газообразной среде. Они имеют как естественное, так и техногенное происхождение.[ …]

Наиболее опасными с позиции изменения свойств ОКП в негативную сторону признаётся выброс химических веществ. Так, в результате пролёта одной тяжёлой ракеты «Протон» (РФ) в ОКП поступает около 100 т воды и более 90 т диоксида углерода. Для американского «Шатла» эти показатели выше: 470 и 110 т соответственно. Указанные химические вещества активно реагируют с ионами кислорода ионосферы, причём оказалось, что процесс идёт гораздо быстрее, нежели в естественных условиях. Как следствие, резко возрастает скорость рекомбинации ионосферной плазмы и падает концентрация заряженных частиц, т.е. образуются т.н. «ионосферные дыры». Сообщалось, что наиболее крупномасштабные нарушения были зарегистрированы после запуска ракет «Сатурн-5» (США): горизонтальные размеры «дыры» составили тысячи километров, а содержание электронов уменьшилось в них в несколько раз. Напомним также, что диоксид углерода, который при запуске ракет распространяется на сотни километров, играет большую роль в тепловом балансе термосферы.[ …]

что это? Отвечаем на вопрос. Слои ионосферы

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

Все знают, для чего Земле нужна атмосфера. Ионосфера же – это ее слой, который защищает остальные слои от жесткого космического излучения. Поэтому очень важно, чтобы ее состав поддерживался на нормальном уровне. Но деятельность человека в последние годы приводит к тому, что этот слой атмосферы начинает разрушаться. Например, при запуске космической лаборатории «Скайлеб» в ионосферу выбрасывается огромное количество водорода.

Другие ракеты-носители не меньше влияют на состав атмосферы. Космический «Шаттл» выбрасывает при сгорании топлива большое количество хлора, оксида углерода, оксида алюминия, водорода. А РН «Энергия» — много оксида азота. Все это активно уничтожает слои ионосферы и приводит к уменьшению количества озона. Остатки топлива уже долгое время накапливаются в верхних слоях атмосферы. Особенно много их содержит стратосфера. Ионосфера же очень чувствительна к изменению своего состава, поэтому ионы быстро разрушаются.

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.

Сейсмологи пытаются предсказывать землетрясения по электромагнитным колебаниям в ионосфере Земли

На последней конференции Американского геофизического сообщества учёные поделились своими наработками в области предсказания землетрясений. В периоды от нескольких минут до нескольких дней до землетрясения, как в земной коре, так и в атмосфере, происходят электромагнитные флюктуации. Их обнаружение и обработка могут позволить сейсмологам эффективно предсказывать природные катастрофы.

Японский геофизик Косуке Хеки [Kosuke Heki] из университета Хоккайдо в Саппоро (Япония) впервые заметил этот эффект в 2011 году, когда приборы обнаружили изменение в электронном составе ионосферы за 40 минут до произошедшего затем 9-балльного землетрясения. Совершить открытие помог тот факт, что геофизик при помощи данных со спутников GPS изучал реакцию ионосферы на происходящие землетрясения. В момент подвижек земной коры вибрация передаётся по всей атмосфере до верхних её слоёв.

За несколько лет он подтвердил свои наблюдения ещё девять раз, поймав изменения в ионосфере перед тем, как происходили землетрясения. Также им было установлено, что чем сильнее землетрясение, тем раньше появляются эти атмосферные аномалии.

Остаётся открытым вопрос, каким образом подвижки земной коры приводят к появлению электромагнитного излучения. Некоторые считают, что нагревающиеся от давления каменистые слои способны порождать положительные заряды. «Когда вы подвергаете камень давлению, он превращается в батарею,- говорит Фрайдеман Фрюнд [Friedemann Freund], адьюнкт-профессор физики Университета штата Калифорния в Сан-Хосе. – Не в такую электрохимическую батарею, которая стоит под капотом вашего авто, а в новый тип полупроводниковой батареи, производящей электроны и дырки».

Положительно заряженные дырки возникают в кристаллической породе, в которой присутствуют пероксидовые связи – в них атомы кислорода соединяются друг с другом, а не с атомом кремния. При повышении давления и температуры связи рвутся, кислород вытягивает электрон из соседнего атома, и оставляет после себя положительно заряженную «дырку». В неё по очереди устремляются соседние электроны, что в итоге и приводит к описанным электромагнитным эффектам.

Эти же эффекты объясняют свидетельства о необычных явлениях, предшествующих землетрясениям, таких, как свечение, вырывающееся из-под земли, и неполадки магнитного компаса в зоне землетрясения. Фрюнд с коллегами пытались воспроизвести в лаборатории подобные эффекты, роняя большую массу на камни, и действительно зафиксировали появление электромагнитных импульсов.

Хорхе Херод [Jorge Heraud] из Католического университета в Перу рассказал, что его команда при помощи магнетометров смогла зафиксировать электромагнитные импульсы в земной коре за две недели до начала землетрясений в Лиме. Правда, магнитометры для фиксации подобных явлений должны находиться не далее, чем в 100 км. от эпицентра.

В связи с этим сейсмологи объединились с проектом Европейского космического агентства (ESA) под названием SWARM, изучающего магнитное поле Земли. Объединённые данные от SWARM, а также данные с GPS-спутников и сейсмометров могут помочь в разработке технологии предсказаний будущих землетрясений.

Сейсмологи уже давно пытаются найти связь между ионосферой и землетрясениями. Геофизики из Стэнфордского университета ещё в 1990 году обнаружили низкочастотные колебания в ионосфере, начавшиеся за три часа до 7-балльного землетрясения, происшедшего в Северной Калифорнии в 1989 году.

К сожалению, многие сейсмологи не сильно уверены в успехе. Том Джордан, директор Центра по изучению землетрясений в Южной Калифорнии в своей работе от 2009 года заключил, что какие бы то ни было доказательства связи между флюктуациями ионосферы и происходящими землетрясениями отсутствуют. Ещё больше сейсмологов считает, что даже если предсказать землетрясение и возможно, то это совсем не означает, что можно будет предугадать его силу и продолжительность. Вполне возможно, что сильные землетрясения начинаются точно так же, как и слабые.

Пока, несмотря на значительные усилия сейсмологов в исследованиях, невозможно дать такой прогноз землетрясений с точностью до дня или даже месяца. Учёные до сих пор не знают всех деталей физических процессов, связанных с землетрясениями, и методы, какими их можно точно предсказывать.

По мнению Сейсмологического сообщества Америки, заявляемый метод прогноза, который можно было бы назвать верным, должен описать ожидаемую магнитуду с определённым допустимым отклонением, хорошо определённую зону эпицентра, диапазон времени, в которое произойдет это событие, и вероятность того, что оно действительно произойдет. Данные, на которых основан прогноз, должны поддаваться проверке и результат их обработки должен быть воспроизводим.

Ионосфера — это слой атмосферы, сильно ионизированный вследствие облучения космическими лучами. На нашей планете это верхняя часть атмосферы, состоящая из смеси газа нейтральных атомов, молекул и квазинейтральной плазмы. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров.

10 вещей, которые нужно знать об ионосфере – Исследование Солнечной системы НАСА

1. Здесь находятся все заряженные частицы атмосферы Земли

Ионосфера Земли перекрывает верхнюю часть атмосферы и самое начало космоса. Солнце варит там газы до тех пор, пока они не теряют электрон или два, что создает море электрически заряженных частиц.

Предоставлено: Студия научной визуализации НАСА.

2. Ионосфера — это место, где атмосфера Земли встречается с космосом

Ионосфера простирается примерно на 50-400 миль над поверхностью Земли, прямо на краю космоса.Наряду с нейтральной верхней атмосферой ионосфера образует границу между нижней атмосферой Земли, где мы живем и дышим, и космическим вакуумом.

Авторы и права: Студия научной визуализации НАСА.

3. Меняется — иногда непредсказуемо

Ионосфера постоянно меняется. Поскольку ионосфера образуется при ионизации частиц солнечной энергией, ионосфера меняется с дневной стороны Земли на ночную. Когда наступает ночь, ионосфера истончается, поскольку ранее ионизированные частицы расслабляются и рекомбинируются обратно в нейтральные частицы.Но есть и более непредсказуемые изменения, вызванные факторами как с Земли внизу, так и из космоса вверху, которые затрудняют точное определение того, какой будет ионосфера в данный момент времени.

Предоставлено: Студия научной визуализации НАСА.

4. Здесь находятся многие наши спутники

Эта граница с космосом проходит как раз там, где зависают многие наши спутники на околоземной орбите, включая Международную космическую станцию. Это означает, что на эти спутники могут влиять постоянно меняющиеся условия в ионосфере, в том числе внезапные выбросы заряженных частиц, которые увеличивают сопротивление спутников и сокращают время их жизни на орбите или то, как долго они могут продолжать движение по орбите вокруг Земли.

Кредит: НАСА

5. Помехи там могут нарушить сигналы

Ионосфера также играет роль в наших повседневных системах связи и навигации. Радио- и GPS-сигналы проходят через этот слой атмосферы или зависят от отражения от ионосферы, чтобы достичь места назначения. В обоих случаях изменения плотности и состава ионосферы могут нарушить эти сигналы.

Вид на ураган Дориан 2 сентября с Международной космической станции. Предоставлено: НАСА/Кристина Кох.

6.Это зависит от погоды

Погода с Земли, такая как ураганы или большие грозовые системы, может создавать волны давления, которые рябью поднимаются в ионосферу. Это один из факторов, который может вызвать изменения в ионосфере.

Эти эффекты были обнаружены только в течение последних 15 лет, когда данные со спутников НАСА выявили связь между погодными условиями и изменениями в ионосфере Земли.

Кредит: НАСА

7. … И на это тоже влияет космическая погода

Поскольку ионосфера состоит из заряженных частиц, она уникально реагирует на изменение магнитных и электрических условий в космосе.Эти условия — наряду с другими событиями, такими как взрывы заряженных частиц — называются космической погодой и обычно связаны с солнечной активностью. Наряду с обычной погодой здесь, на Земле, космическая погода является другим важным фактором, влияющим на ионосферу.

Кредит: НАСА

8. Ионосфера постоянно светится

Airglow — это то, что мы называем яркими полосами света, исходящими из верхних слоев атмосферы Земли. Это происходит, когда атомы и молекулы в верхних слоях атмосферы, возбужденные солнечным светом, излучают свет, чтобы сбросить избыточную энергию.Или это может произойти, когда атомы и молекулы, ионизированные солнечным светом, сталкиваются со свободным электроном и захватывают его. В обоих случаях они испускают частицу света, называемую фотоном, чтобы снова расслабиться.

Airglow — это не просто красивое зрелище: это полезный маркер того, что происходит в ионосфере. Каждый атмосферный газ имеет свой предпочтительный цвет свечения в зависимости от газа, области высот и процесса возбуждения, поэтому мы можем использовать свечение воздуха для изучения того, где находятся эти газы и как они себя ведут.

Предоставлено: НАСА/ЗОЛОТО.

9. Изучаем ионосферу невидимыми видами света

В январе 2018 года мы отправили GOLD — сокращение от Global-scale Observations of the Limb and Disk — в космос на борту коммерческого спутника связи. Со своей устойчивой точки обзора в 22 000 миль над Западным полушарием GOLD создает изображения всего диска Земли в дальнем ультрафиолетовом свете, невидимом для наших глаз, но выявляющем ежедневные изменения в верхних слоях атмосферы.

Ночью Дальний ультрафиолетовый прибор измеряет плотность ионосферы.Розовый свет (слева) — выбросы азота. Зеленый свет (синий) — выбросы кислорода. Авторы и права: НАСА/ICON/Харальд Фрей/Томас Бриджмен/Джой Нг

10. Мы только что получили первые изображения ионосферы от ICON

.

10 октября этого года мы запустили ICON — исследователь ионосферных соединений — чтобы присоединиться к GOLD в изучении ионосферы. Сейчас космический корабль находится на низкой околоземной орбите на высоте 360 миль над Землей. ICON изучает ионосферу, используя комбинацию свечения воздуха, невидимых длин волн света и прямых измерений окружающих ее частиц.И миссия только что прислала свои первые научные снимки! Вместе GOLD и ICON помогут нам узнать гораздо больше об ионосфере, этой части космоса, которая ближе всего к нам.

Ионосфера: определение, факты, температура и слои — видео и расшифровка урока

Как формируется ионосфера?

Итак, как мы можем получить все эти заряженные частицы в ионосфере? Атомы кислорода и азота являются основными мишенями ионизации. Очень высокая световая энергия Солнца возбуждает атомы в этих атомах во время процесса, называемого фотоионизацией .Атомы, в свою очередь, испускают отрицательно заряженные частицы, называемые электронами. Атомы приобретают положительный заряд, когда высвобождают электрон, и происходит больше химических реакций. Когда происходят эти химические реакции, часть энергии возбужденных электронов высвобождается в виде света, создавая явление, называемое свечением воздуха , которое представляет собой рассеянный свет, позволяющий нам видеть объекты в темноте даже в очень темные ночи.

Слои

Ионосфера — это не просто однородная смесь ионов, поскольку она имеет определенные слои с различным составом.Область D — самая нижняя область ионосферы, простирающаяся на 40–55 миль над поверхностью. Область D не остается электрически заряженной ночью, как другие слои. Без ионизирующего излучения Солнца молекулы кислорода и азота объединяются, чтобы стать нейтральными, и этот слой больше не отклоняет радиоволны обратно на Землю.

Вы когда-нибудь думали о том, чтобы позвонить кому-нибудь через океан? Возможно, вы даже сделали это сами. Но до 1902 года связь на таких больших расстояниях была невозможна.Гульельмо Маркони был первым, кто ввел трансатлантическую связь, при которой сообщения передавались по беспроводной сети через Атлантический океан. Это был первый шаг в глобальной радиосвязи, которую мы знаем сегодня, и она была бы невозможна без следующего слоя ионосферы, региона E . В отличие от области D, область E остается заряженной ночью. Хотя некоторая часть ионизации уменьшается, ее все же достаточно, чтобы продолжать отражать радиоволны для связи на большие расстояния.

Последний слой ионосферы — это область F . Область F находится примерно в 100 милях от поверхности и имеет наибольшую концентрацию ионов по сравнению с другими слоями. Этот слой поддерживает в основном устойчивое состояние ионов даже ночью. Область F можно разделить на две подобласти: F1, которая ближе к земле, и более крупный слой F2, который находится дальше и имеет наибольшую концентрацию ионов.

Ионосфера и радиоволны

Большая концентрация ионов влияет на передачу радиоволн от Земли. Радиоволны — это световые волны с очень большой длиной волны, которые мы используем для связи. Концентрация ионов в слоях ионосферы заставляет радиоволны отражаться обратно к Земле, позволяя им путешествовать по всему миру. Представьте себе круглую комнату, а теперь представьте, как мячик для пинг-понга прыгает по стенам. Без стен ваш мячик для пинг-понга просто улетел бы в пропасть. Но со стенами вы можете легко перебросить мяч своему другу на другой конец комнаты. Таким образом, ионосфера играет важную роль в распространении радиоволн по всему миру для связи на большие расстояния.

Ионосфера и полярные сияния

Вы когда-нибудь видели северное сияние, также известное как северное сияние? Эти красивые полосы зеленого, синего и фиолетового цвета освещают ночное небо в северных частях мира. Полярные сияния также происходят в Южном полушарии.

Так что же вызывает эти живописные ночи? Солнечные ветры — это потоки чрезвычайно горячих ионизированных газов, которые выбрасываются солнцем. Солнечные ветры движутся к Земле и отклоняются от внешней атмосферы, называемой магнитосферой , к остальной части Солнечной системы.Однако часть солнечного ветра попадает в ионосферу. Ионы солнечного ветра сталкиваются с ионами кислорода и азота в ионосфере. Во время этих столкновений большое количество энергии высвобождается в виде света, создавая красочный свет, который мы видим в ночном небе.

Итоги урока

Давайте повторим. Ионосфера — это слой атмосферы на высоте от 30 до 600 миль над земной поверхностью, который способствует радиосвязи на большие расстояния. В этих слоях такие газы, как кислород и азот, ионизируются в результате фотоионизации за счет энергии, выделяемой солнцем.Ионосферу можно разделить на три слоя.

Область D , или самая нижняя область ионосферы, простирающаяся от 40 до 55 миль над поверхностью, теряет свою ионизирующую способность ночью и находится ближе всего к Земле. Область E , следующий слой атмосферы, имеет большую концентрацию ионов, чем область D, хотя ночью она теряет часть своей ионизирующей способности. Область F — это самый дальний от Земли слой, в котором наибольшая концентрация ионов не меняется днем ​​и ночью.

Мы также узнали, что ионосфера играет роль в радиосвязи благодаря ее влиянию на радиоволны , световые волны с очень большой длиной волны, которые мы используем для связи. Мы также узнали, что он также отвечает за полярные сияния, впечатляющие световые явления, которые возникают, когда солнечные ветры входят в ионосферу, а другие ветры отражаются от магнитосферы или внешнего слоя атмосферы. Короче говоря, ионосфера отвечает за многие вещи, о которых вы, возможно, не до конца осведомлены, но определенно можете испытать, если знаете, что ищете.

NWS JetStream Max: Ионосфера

Три основных слоя ионосферы, обозначенные буквами D, E и F.

Это поглощение излучения также отвечает за ионосферу. Расположенная в термосфере, ионосфера состоит из электрически заряженных частиц газа (ионизированных).

Ионосфера простирается от 37 до 190 миль (60-300 км) над поверхностью земли. Он разделен на три области или слоя; F-область, E-уровень и D-уровень. Днем F-слой разделяется на два слоя, а ночью снова объединяется.

Три основных слоя ионосферы, обозначенные буквами D, E и F.

Первым был обнаружен уровень E. В 1901 году Гульельмо Маркони передал сигнал между Европой и Северной Америкой и показал, что он должен отражаться от электропроводящего слоя на высоте около 62 миль (100 км). В 1927 году сэр Эдвард Эпплтон назвал этот проводящий слой (E)lectrical-Layer. Дополнительные проводящие слои, обнаруженные позже, были просто названы D-слоем и F-слоем.

Поскольку ионосфера существует благодаря солнечному излучению, падающему на атмосферу, ее плотность меняется от дневного к ночному.Все три слоя более плотные в дневное время. Ночью плотность всех слоев уменьшается, при этом D-слой претерпевает наибольшие изменения. Ночью D-слой практически исчезает.

Как было замечено примерно в 1900-х годах, ионосфера обладает важным свойством отражения радиосигналов, передаваемых с Земли. Благодаря его существованию по всему миру можно связаться по радио.

Передачи радиостанций могут много раз отражаться между поверхностью земли и ионосферой.По мере передачи радиосигнала часть сигнала покидает Землю через ионосферу (зеленая стрелка). Земная волна (фиолетовая стрелка) — это прямой сигнал, который мы обычно слышим. Эта волна быстро ослабевает, и человек слышит ее как затухающий сигнал. Остальные волны (красная и синяя стрелки) называются «небесными волнами». Эти волны отражаются от ионосферы и могут отражаться на многие тысячи миль в зависимости от атмосферных условий.

Учебный урок: утро в вечернее время

Ионосфера Земли | СпрингерЛинк

‘) переменная голова = документ.getElementsByTagName(«голова»)[0] var script = document.createElement(«сценарий») script.type = «текст/javascript» script.src = «https://buy.springer.com/assets/js/buybox-bundle-52d08dec1e.js» script.id = «ecommerce-scripts-» ​​+ метка времени head.appendChild (скрипт) var buybox = document.querySelector(«[data-id=id_»+ метка времени +»]»).parentNode ;[]. slice.call(buybox.querySelectorAll(«.вариант-покупки»)).forEach(initCollapsibles) функция initCollapsibles(подписка, индекс) { var toggle = подписка.querySelector(«.цена-варианта-покупки») подписка.classList.remove(«расширенный») var form = подписка.querySelector(«.форма-варианта-покупки») если (форма) { вар formAction = form.getAttribute(«действие») документ.querySelector(«#ecommerce-scripts-» ​​+ timestamp).addEventListener(«load», bindModal(form, formAction, timestamp, index), false) } var priceInfo = подписка.querySelector(«.Информация о цене») var PurchaseOption = toggle.parentElement если (переключить && форма && priceInfo) { toggle.setAttribute(«роль», «кнопка») toggle. setAttribute(«tabindex», «0») переключать.addEventListener(«щелчок», функция (событие) { var expand = toggle.getAttribute(«aria-expanded») === «true» || ложный toggle.setAttribute(«aria-expanded», !expanded) form.hidden = расширенный если (! расширено) { покупкаOption.classList.add(«расширенный») } еще { покупкаOption.classList.удалить («расширить») } priceInfo.hidden = расширенный }, ложный) } } функция bindModal (форма, formAction, метка времени, индекс) { var weHasBrowserSupport = window.fetch && Array.from функция возврата () { var Buybox = EcommScripts ? EcommScripts. Buybox : ноль var Modal = EcommScripts ? EcommScripts.Модальный: ноль if (weHasBrowserSupport && Buybox && Modal) { var modalID = «ecomm-modal_» + метка времени + «_» + индекс var modal = новый модальный (modalID) modal.domEl.addEventListener («закрыть», закрыть) функция закрыть () { form.querySelector(«кнопка[тип=отправить]»).фокус() } вар корзинаURL = «/корзина» var cartModalURL = «/cart?messageOnly=1» форма.установить атрибут ( «действие», formAction.replace(cartURL, cartModalURL) ) var formSubmit = Buybox. interceptFormSubmit( Buybox.fetchFormAction(окно.fetch), Buybox.triggerModalAfterAddToCartSuccess(модальный), функция () { форма.removeEventListener («отправить», formSubmit, false) форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(cartModalURL, cartURL) ) форма.отправить() } ) form.addEventListener («отправить», formSubmit, ложь) документ.body.appendChild(modal.domEl) } } } функция initKeyControls() { document. addEventListener («нажатие клавиши», функция (событие) { if (document.activeElement.classList.contains(«цена-варианта-покупки») && (event.code === «Пробел» || event.code === «Enter»)) { если (document.activeElement) { мероприятие.предотвратить по умолчанию () документ.activeElement.click() } } }, ложный) } функция InitialStateOpen() { вар buyboxWidth = buybox.offsetWidth ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.опция покупки»)).forEach(функция (опция, индекс) { var toggle = option.querySelector(«.цена-варианта-покупки») вар форма = вариант.querySelector(«.форма-варианта-покупки») var priceInfo = option.querySelector(«. Информация о цене») если (buyboxWidth > 480) { переключить.щелчок() } еще { если (индекс === 0) { переключить.щелчок() } еще { toggle.setAttribute («ария-расширенная», «ложь») форма.скрытый = «скрытый» priceInfo.hidden = «скрытый» } } }) } начальное состояниеОткрыть() если (window.buyboxInitialized) вернуть window.buyboxInitialized = истина initKeyControls() })()

Земля Ионосфера — обзор

2.2 Уравнения ионосферной жидкости

Описание жидкости EI выполнено с учетом отдельного континуума CI для каждого присутствующего химического вещества, где I=1,2,…,W охватывает все химически различные вещества. Виды, составляющие EI, обычно следующие:

Нейтральные частицы . Различные молекулы или атомы (например, O 2 , N 2 , CO 2 , NH 4 , O, N) с нулевым электрическим зарядом: это основная часть, как численно, так и массивно, всю верхнюю атмосферу, до уровня около 1000 км высоты, где начинается плазмосфера .

Отрицательные ионы . Нейтралы, захватившие один или несколько электронов, сравнительно очень редки, их присутствие вообще практически ничтожно. Тем не менее их следует учитывать при работе с нижней частью EI, как с областью D и нижней Е (Leitinger et al., 1996; Jursa, 1985). Их численность является определяющей только на глубине до 95 км.

Положительные ионы . Нейтралы, потерявшие один или несколько электронов: 2- или 3-валентные положительные ионы очень редки, поэтому мы можем ограничиться 1-валентными положительными ионами, например, NO + , O + .

Электроны . Электроны являются наиболее важным элементом ионосферной радиофеноменологии из-за их очень малой массы, которая придает им большую подвижность под действием наложенных электромагнитных полей (Davies, 1990; Ciraolo, 1993), по крайней мере, для сигналов GNSS.

Разумный набор континуумов EI:

(7)CO2,CN2,CCO2,CNh5,CO,CN,CNO+,CO+,Ce−,

с W = 9.С каждым КИ нужно обращаться так же, как мы обсуждали для жидкости C в разделе 2.1: будет построено правильное эйлерово представление с некоторыми локальными XEIr→,t такими, что

(8)∂tXEIr→,t=fEIX̲Er→,t ,∂→X̲Er→,t,r→,t,r→∈R3,t∈I,

адаптируя уравнение (6) к I -му континууму (подчеркнутые величины как X̲E представляют собой наборы W полей, по одному для каждого компонента CI). Каждая из этих жидкостей CI занимает, в принципе, все доступное пространство, поэтому они соприсутствуют в одной и той же области R3; эйлерово представление в этом случае особенно подходит для простого и прозрачного представления химических реакций: две посылки δCI и δCJ частиц в уравнении. (7) будут реагировать, когда они находятся «в одной и той же точке пространства r→». Используемая система отсчета, как правило, вращается вокруг Земли.

Каждая жидкость CI описывается как сделана из частиц массы м I и электрический заряд Q I : мы будем использовать ρ I , чтобы указать плотность объема массы. , N I для числовой плотности и δ I для плотности заряда:

(9)ρI=mINI,δI=qINI.

Данная посылка δCI с центром в r→ в момент времени t имеет массу mδCI=ρIr→,tdVIr→,t и заряд qδCI=δIr→,tdVIr→,t, где dVIr→,t — объем посылки под рукой. В большинстве случаев на этих δ I sa выполняется ограничение локального нейтралитета b

(10)∑IδI=0,

(10)∑IδI=0,

(∑IδI=0,

) кроме глобального: 100004 R3δIr→,td3r=0.

Поскольку конфигурация δCIa→,t представлена ​​через динамические переменные его центра масс и термодинамические координаты содержащихся в нем частиц, уравнения движения ФП ЭИ будут подчиняться законам механики точечных частиц (т.э., классическая ньютоновская физика) плюс классическая равновесная термодинамика . В случае ЭИ все химические вещества (7) рассматриваются как газов , поэтому термодинамическими переменными могут быть числовая плотность и температура:

(12)XEIr→,t=V→Ir→,t,NIr →,t,TIr→,t.

Цель состоит в том, чтобы получить уравнение. (8) для этого набора переменных (по одной на химический вид): нам нужно получить что-то вроде ∂tNIr→,t=⋯, ∂tV→Ir→,t=⋯ и ∂tTIr→,t=⋯. Как уже отмечалось, будет использоваться динамика Ньютона плюс равновесная термодинамика.Выражение для ∂tNIr→,t дается через стехиометрические рассуждения, ссылаясь на существование обычно аддитивно сохраняющихся скаляров , таких как масса в нерелятивистской физике или электрический заряд. Выражение для ∂tV→Ir→,t получается из применения dp→dt=F→ к центру масс посылки, а ∂tTIr→,t будет сформулировано согласно балансу внутренней энергии посылки.

Для того, что необходимо для наших рассуждений здесь, мы «просто» сообщаем полный DYT для жидкой ионосферы как I+V→I⋅∂→V→I=qImIE→+V→I×B→+g→⊕+δg→прилив+g→Ω−2Ω→×V→I−kBmINI∂→NITI−L→I∂ V→ImINI+∑J≠IνIJmicroV→I−V→J−∂→⋅τIwavmINI−ΣIN̲,T̲;x→,tNIV→I,∂tTI+V→I⋅∂→TI=−ΣIN̲,T̲;x→,tNIcVImicroTI ∫T0TIcVImicroTI′dTI′+L→I∂V→I⋅V→ImINicVImicroTI+ΨImicrocVImicroTI−κImicro∂2TImINicVImicroTI−kBTI∂→⋅V→ImIcVImicroTI,

, где E→ и B→ – электрическое и магнитное поля в ЭИ, считаются жесткими внешними терминами для нужд нашего рассуждения.

В ур. (13) динамические переменные суть просто N I , V→I и T I , а все остальные появляющиеся члены должны быть либо выражены через эти XEI, либо приписаны каким-то другим образом.

Σ I является исходным членом в уравнении баланса I -го химического вещества, в зависимости от фотохимии континуумов, образующих ЭИ.

Ускорения g→⊕, δg→прилив и g→Ω – это, соответственно, сила тяжести Земли, колебания ее за счет приливных явлений и поправка за счет сил инерции в системе координат, вращающей Землю; −2Ω→×V→I — кориолисово ускорение.

L→I∂V→I — линейная функция градиента скорости ∂→⊗V→I, представляющая силу тензора напряжений (Ландау и Лифшиз, 1971; Матерасси, без даты), νIJmicro — частота столкновений между частицами вида I и частицы вида J , а ∂→⋅τIwav — сила, действующая на КИ гравитационными волнами. c

Постоянная объемная удельная теплоемкость для I -й породы равна cVImicroTI, κImicro – теплопроводность для I -й породы, а ΨImicro – скорость тепловыделения за счет внутренних процессов КИ.

Все величины, обозначенные верхним индексом «микро», т. е. νIJмикро, cVIмикроTI, ΨIмикро и κIмикро, должны быть рассчитаны из соответствующей микроскопической теории I -й компоненты ЭИ, которая находится вне объем этой главы.

Земля Ионосфера — обзор

I.C. Физика плазмы

До сих пор мы рассматривали только движение одной частицы. Однако газ заряженных частиц может проявлять коллективное поведение.Термин плазма обычно ограничивается газом заряженных частиц, в котором потенциальная энергия частицы из-за ее ближайшего соседа намного меньше, чем ее кинетическая энергия. Если мы поместим пробный заряд в плазму, он соберет вокруг себя экранирующее облако противоположно заряженных частиц, которое стремится нейтрализовать заряд. По сути, принадлежность данной частицы к множеству экранирующих облаков порождает коллективное поведение. За пределами некоторого расстояния, называемого длиной Дебая, эффект отдельного заряда не наблюдается.Длина Дебая пропорциональна квадратному корню из отношения температуры плазмы к ее плотности. Плазма, такая как солнечный ветер, с температурой 10 эВ и плотностью 10 на кубический сантиметр имеет дебаевскую длину 740 см. Число частиц в кубе с размерами длины Дебая называется параметром плазмы. Значение этого параметра определяет, можно ли рассматривать ионы и электроны как плазму, проявляющую коллективное поведение, или как ансамбль частиц, каждая из которых ведет себя как одна частица.Электронно-ионный газ можно считать плазмой, когда параметр плазмы много больше 1. Как показано на рис. 3, в ионосфере Земли и внешней атмосфере Солнца (короне) это число составляет около 10 5 . В магнитосфере Земли и в солнечном ветре она составляет около 10 10 .

РИСУНОК 3. Длина Дебая λ D и параметр плазмы Λ для плазмы, представляющей геофизический интерес.

Характеристическая частота плазмы, при которой она будет колебаться, если ионы и электроны разъединить и позволить им двигаться вместе (коллективный плазменный эффект), называется плазменной частотой.Он равен 9 кГц, умноженному на квадратный корень из числа электронов на кубический сантиметр. Максимальная плазменная частота в ионосфере Земли несколько превышает примерно 10 МГц. Количество столкновений в секунду в полностью ионизированной плазме очень приблизительно равно плазменной частоте, деленной на параметр плазмы. Таким образом, частицы в плазме могут колебаться много-много раз между столкновениями, поэтому плазменные процессы часто называют бесстолкновительными. Когда параметр плазмы велик, заряженные частицы движутся почти прямолинейно.С уменьшением параметра плазмы все большее значение приобретают индивидуальные взаимодействия между заряженными частицами и учащаются отклонения на большие углы. В конце концов, при малых параметрах плазмы электроны захватываются в потенциальные ямы отдельных ионов. Тот же самый эффект происходит в металлах и недрах Солнца.

Ключ к пониманию поведения электрических и магнитных полей в Солнечной системе лежит в понимании поведения плазмы и различных нестабильностей, передающих энергию из одной формы в другую в плазме.Коллективные взаимодействия позволяют часто пренебрегать индивидуально-частичной природой плазмы и рассматривать ее как электропроводящую жидкость. Законами поведения этой жидкости являются уравнения Максвелла, закон Ома и закон сохранения массы и импульса. Использование этих уравнений называется магнитогидродинамическим или МГД-приближением.

Плазма в Солнечной системе часто оказывается в нестабильных ситуациях, в которых уравнения МГД предсказывают быстрое изменение конфигурации.Например, существует неустойчивость обмена, при которой целые трубки магнитного потока меняют положение, потому что при этом они приобретают более низкое энергетическое состояние. Это может произойти, если сильно нагруженная магнитная трубка лежит поверх слабонагруженной магнитной трубки в гравитационном поле. Это аналогично ситуации, когда тяжелая жидкость находится поверх более легкой. Другой важной МГД-неустойчивостью является неустойчивость Кельвина-Гельмгольца или неустойчивость ветра над водой, при которой поверхностные волны на границе индуцируются сдвигом скорости потока на границе.Эта нестабильность часто используется для объяснения магнитных пульсаций в магнитосфере Земли. Он аналогичен механизму образования океанских волн.

Плазма, поскольку она бесстолкновительна, может иметь разную температуру вдоль и поперек силовых линий магнитного поля. Однако слишком большая разница может быть нестабильной. Неустойчивость пожарного рукава возникает, когда тепловое давление вдоль силовой линии превышает сумму давления поперек силовой линии и магнитного давления. Когда это происходит, линии магнитного поля колеблются взад-вперед, как пожарный шланг, конец которого не удерживается.Неустойчивость также возникает, когда тепловое давление поперек силовой линии значительно превышает давление вдоль нее. Это известно как зеркальная неустойчивость и создает очаги более плотной плазмы вдоль силовых линий.

Многие из различных плазменных неустойчивостей вызывают флуктуации в плазме: колебания плотности, напряженности и направления электрического и магнитного полей, скорости плазмы и т. д. Такие колебания также могут быть вызваны внешними по отношению к плазме процессами, происходящими изучал.Различают три типа магнитогидродинамических волн: быстрые, промежуточные и медленные. Быстрые волны сжимают как плазму, так и магнитное поле. Промежуточные волны изгибают силовые линии магнитного поля, но не изменяют плотность или напряженность магнитного поля. Медленные волны сжимают поле, когда они декомпрессируют плазму, и наоборот, так что общее давление, тепловое и магнитное, почти постоянно, но не совсем. Такие волны встречаются во всей плазме Солнечной системы. Скорость промежуточной волны, также называемая альфвеновской скоростью, пропорциональна напряженности магнитного поля и обратно пропорциональна квадратному корню из плотности массы.В плазме девять протонов на кубический сантиметр и напряженность поля 6 нТл, что характерно для солнечного ветра вблизи Земли, альфвеновская скорость составляет 44 км/сек. Быстрые и медленные волны распространяются несколько быстрее и медленнее этой скорости в зависимости от температуры плазмы и направления распространения относительно магнитного поля.

Быстрые и медленные волны могут превращаться в ударные волны, если их амплитуды достаточны. Ударная волна представляет собой тонкий разрыв, который распространяется быстрее скорости нормальной волны и вызывает необратимые изменения в плазме.Такой бесстолкновительный удар аналогичен удару, производимому сверхзвуковым самолетом, летящим через столкновительный газ — воздух. Процесс формирования ударной волны описывается как укрупнение, потому что прохождение быстрой или медленной волны изменяет плазму, так что следующая волна будет двигаться быстрее и, таким образом, догонит первую волну. Таким образом, замыкающие части волны догоняют переднюю часть и образуется крутой волновой фронт. Этот процесс похож на увеличение крутизны океанских волн по мере их приближения к берегу.Закрученность ударных волн в плазме ограничивается коллективными процессами, происходящими в плазме на иногда довольно малых масштабах, таких как ионный гирорадиус. Многие процессы, происходящие в бесстолкновительных ударах, генерируют плазменные волны, как электромагнитные волны, передающие энергию, так и электростатические волны, не передающие энергию. Эти волны, колеблющиеся на частотах, близких к гирочастотам ионов и электронов, нагревают плазму и выравнивают давления вдоль и поперек поля.Толщина бесстолкновительных ударов часто составляет долю инерционной длины иона, которая представляет собой скорость света, деленную на ионную плазменную частоту (в 43 раза меньше, чем плазменная частота электронов, упомянутая ранее, если ионы являются протонами). Численно это равно 228 км, деленным на квадратный корень из числа протонов на см 3 . В типичной плазме солнечного ветра вблизи Земли ударная волна будет иметь толщину около 40 км.

Бесстолкновительные толчки находятся перед всеми планетами, образуя стоячие носовые волны, очень похожие на носовые волны перед лодкой.Такая волна возникает потому, что солнечный ветер должен отклоняться вокруг каждого из планетарных препятствий. Однако скорость солнечного ветра намного превышает скорость, с которой давление, необходимое для отклонения потока, может распространяться в солнечном ветре. Единственное средство, с помощью которого планета может отклонить сверхзвуковой солнечный ветер, — это сформировать ударную волну, которая замедляет, нагревает и отклоняет поток.

Взрывные волны, вызванные солнечными вспышками, также вызывают толчки солнечного ветра, которые конвективно рассеиваются мимо планет.Достигая Земли, такие ударные волны вызывают внезапные сжатия в магнитном поле Земли, которые наблюдаются поверхностными магнитометрами. Внезапное сжатие, за которым следует инжекция энергии в кольцевой ток Земли, называется внезапным началом бури или SSC. Иначе внезапное сжатие магнитного поля Земли называют внезапным импульсом, или СИ. Иногда ударные волны, распространяющиеся к Солнцу, или обратные ударные волны уносятся наружу очень сверхзвуковым солнечным ветром. Они могут вызывать отрицательные внезапные импульсы, при которых магнитное поле поверхности Земли внезапно уменьшается.Именно возникновение отрицательных и положительных внезапных импульсов в магнитном поле Земли первоначально привело к постулату о возможности существования бесстолкновительных ударных волн в плазме солнечного ветра. В обычных газах удары требуют межчастичных столкновений, чтобы нагреть газ поперек ударного фронта. В бесстолкновительной плазме этот нагрев происходит как за счет осциллирующих магнитных и электрических полей, так и за счет стационарного процесса, при котором небольшая часть ионов отражается ударной волной и, таким образом, приобретает большую тепловую энергию по сравнению с текущим солнечным ветром.

Атмосфера | Бесплатный полнотекстовый | Спорадический Е-слой со структурой двойного пика на ионограмме вертикального зондирования

1. Введение

Слои повышенной ионизации, возникающие на высотах Е-области ионосферы, называются спорадическими Е-слоями (Е s слоев) . Эти спорадические слои в Е-области, встречающиеся на всех широтах, изучаются уже многие десятилетия. Большая часть имеющейся у нас информации о слоях E s получена путем вертикального зондирования с помощью ионозондов.В настоящее время слои E s исследуются с помощью современных цифровых ионозондов, лидаров, радаров некогерентного рассеяния (ISR), радаров очень высоких частот (VHF) и частичных отражений (PR), ракетных зондов, а также сигналов навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС. [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]. Многие важные характеристики слоев E s хорошо изучены, но продолжение исследований по-прежнему важно, так как эти слои могут существенно влиять на распространение КВ и УКВ радиоволн и обеспечивать радиосвязь в возмущенных ионосферных условиях или при отражениях от слоя F невозможны. Слой E s представляет собой плазменное образование с высокой степенью ионизации, возникающее, как правило, на высотах 90–130 км. Слой E s толщиной от 300 м до нескольких километров отличается от других обычных слоев D, E и F ионосферы. Как правило, слои E s представляют собой горизонтальную протяженность от 20 до 200 км [14,15]. Одни из них однородны в горизонтальной плоскости и покрывают вышележащие области ионосферы, другие полупрозрачны и состоят из ионизационных облаков (пятен).Отдельные слои Е могут двигаться с горизонтальной скоростью 20–130 км/ч. Иногда могут появляться несколько слоев, отстоящих друг от друга на несколько километров (6–10 км). Срок службы слоя E s может составлять от нескольких часов до нескольких минут. Короткоживущие слои, называемые переходными слоями, активно изучаются в течение последних десяти лет [7,10,14,15,16,17,18,19,20,21]. Более того, иногда спорадический слой Е начинает формироваться под действием солнечных приливов в нижней части слоя F2 на высотах около 180 км или в долине между слоями Е и F на высотах 120–180 км [1, 3,18,19,20]. Этот так называемый промежуточный слой E s медленно опускается с нисходящим движением плазмы и становится устойчивым на высотах 100–120 км [3]. понятно хорошо. Например, образование спорадических слоев ионизации в средних широтах объясняется теорией сдвига ветра, когда вертикальный сдвиг при нейтральном ветре собирает плазму в тонкий слой ионизации, который может существовать длительное время за счет долгоживущих ионы металлов ([14,15,16,22,23,24,25,26] и ссылки в них).Наряду с многочисленными методами исследования спорадических слоев Е уже много лет существует метод исследования ионосферы путем создания искусственных периодических неоднородностей (ИПН) [18, 19, 20, 27, 28, 29, 30]. Этот метод исследования ионосферы и нейтральной атмосферы, методика ИФИ, разработан в Научно-исследовательском радиофизическом институте (Нижний Новгород, Россия). АФИ диагностика ионосферы включает три основных этапа: создание АФИ излучением мощной нагревательной установки, диагностику плазмы зондированием созданной периодической структуры зондирующими радиоволнами и определение многих параметров ионосферы и нейтральной атмосферы. на основе измеренных характеристик рассеянных сигналов API.АФИ генерируются в поле стоячей электромагнитной волны, которые образуются за счет интерференции КВ радиоволн, излучаемых в зенит и отраженных от ионосферы. АФИ наблюдаются на высотах от 60 км до уровня отражения мощных и зондирующих радиоволн в F-области. Разработано около десяти методов определения параметров ионосферы и нейтральной атмосферы по этой методике. Подробное описание методики API и методов диагностики ионосферы можно найти в [18].В результате многолетних наблюдений стало ясно, что методика API является весьма эффективным методом изучения любых спорадических слоев, в том числе слабых слоев E s , недоступных для наблюдения ионозондом, а также короткоживущих (переходных) слоев [21]. ]. В разделе 4 приведены примеры различных спорадических событий, наблюдаемых методом API. На ионограммах по форме дисперсионной задержки следа слоя E s выделяют следующие основные типы: а, в , f, h, l, q, s, r [31]. Тип а (полярное сияние) обычно наблюдается в ночные часы вместе с полярными сияниями в высоких широтах. Тип с (касп) чаще всего наблюдается в дневное время и имеет пикообразный перегиб в диапазоне частот, близких к критической частоте слоя Е. Следы на ионограмме от слоя E s типа f плоские и не имеют видимых дисперсионных задержек следа. Они часто наблюдаются ночью, когда отсутствует фоновая ионизация слоя Е. Отдельные слои этого типа также часто покровные.Тип слоя h (высокий) отличается от типа слоя c тем, что он имеет разрыв по высоте относительно максимума трассы от слоя E. Такие спорадические слои, возможно, можно отнести к промежуточным слоям E s . Слой типа l (нижний) по форме подобен слою типа f, но наблюдается в дневное время ниже следа от слоя E. Таким образом, его можно назвать «подслойным» E s . Тип q (экваториальный) наблюдается на экваториальных широтах, как правило, в дневные часы.Эти и другие типы спорадических слоев подробно описаны в [31]. Диффузный s-тип слоя E s на ионограммах наблюдается как «размытое пятно» над другими трассами E s и, возможно, является следствием боковых отражений других близлежащих слоев E s . Слой типа r (запаздывание) имеет дисперсионную задержку в начале трассы (как и в типах c и h). Эта задержка увеличивается с увеличением частоты и напоминает след от обычного Е-слоя. В этом случае трассы слоев E s , показывающие увеличение виртуальной высоты на высокочастотном конце, аналогичны групповому замедлению.Примеры ионограмм с такими спорадическими слоями, полученных ионозондом «Циклон» в Казанском федеральном университете, приведены на рис. 1. Характерные для средних широт спорадические слои постоянно регистрируются цифровым ионозондом «Циклон» [8,21]. Иногда наблюдаются необычные ионограммы. Пример такой ионограммы с типом с слоя E s , имеющей след с необычным двойным изломом, показан на рис. 1f.

Для общего обзора типов слоев E s мы дали краткие описания, уделив особое внимание типу c слоя E s с необычным следом с двойным выступом. По наблюдениям ионосферы с помощью ионозонда «Циклон» мы заметили, что на широте ионозонда часто существует спорадический слой Е типа с, особенно в дневное время. Также иногда наблюдаются необычные ионограммы слоя Е s типа с с двойным изломом в низкочастотной части следа слоя Е s . Мы хотели выяснить причины появления таких ионограмм и попытались выявить форму высотного профиля электронной концентрации, обеспечивающую необычный след двойного излома на ионограмме.

Целью данной работы был анализ и моделирование формы необычного следа E s , который неоднократно регистрировался ионозондом «Циклон». Такой слой имеет двойной излом в низкочастотной части трассы, напоминающий две ступени. Пример ионограммы со спорадическим слоем Е этого типа, полученной в 18:04 LT 26 мая 2010 г., показан на рис. 2. Верхняя часть двойного острия отмечена кружком. Как показано на рис. 2, двойной касп в Х-моде отсутствует из-за большего поглощения необыкновенной волны в ионосфере. Дополнительным свойством трассы с двойным острием, обсуждаемым в данной статье, является наличие небольшой дисперсионной задержки на высокочастотном конце трассы.

Для выяснения причины появления двойного каспа мы смоделировали конфигурацию следов на ионограмме для нижней части слоев E и E s на основе выбора подходящего профиля концентрации электронов.

2. Моделирование профиля электронной плотности слоя E

s на основе реальной ионограммы и результатов Моделирование проводилось на основе ионограммы, представленной на рис. 2.Профиль электронной концентрации N(h) подбирался таким образом, чтобы рассчитанные виртуальные высоты сигналов ионозонда, отраженных от ионосферы, хорошо согласовывались со следами на ионограмме, в том числе с двойным каспом Е. Другими словами, в результате моделирования мы хотели получить ионограмму, подобную измеренной ионозондом. Сначала для ионограммы, представленной на рис. 2, был выбран профиль электронной концентрации N(h), рассчитанный по модели IRI [32]. ], показанный на рисунке 3.Критическая частота слоя Е составила 2,20 МГц по ионограмме и 2,35 МГц по модели IRI-2016. Так, форма нижней части профиля N(h) была близка к параболической, а критическая частота слоя Е по модели ИРИ-2016 близка к критической частоте слоя Е реального ионограмма. На следующем этапе по этому высотному профилю электронной концентрации была рассчитана виртуальная высота отражения радиоволны при вертикальном зондировании.Для показателя преломления холодной плазмы мы использовали формулу Эпплтона-Хартри без учета столкновений [33,34]:

n=1−2X1−X21−X−YT2±YT4+41−X2YL2 ,X=fNf2,Y=fHf,YT=fHf·sin𝛼,YL=fHf·cos𝛼,fN=Ne24𝜋2m𝜀O,fN=eB02𝜋m.

(1)

где f – частота зондирования; f H ~1,4 МГц – гирочастота электрона; f N – плазменная частота; B 0 — напряженность магнитного поля Земли, α — угол между вектором магнитного поля Земли B→ и волновым вектором k→; N — плотность электронов, e и m — заряд и масса электрона соответственно; ε0 — диэлектрическая проницаемость. Знак «+» в знаменателе используется для обычного режима, а знак «–» — для необыкновенного. Виртуальная высота отражения h v рассчитывалась по формуле:

hгp;= ∫0hrndh=h0+∫N0NrdhdNnN,fdN

(2)

где h r — высота и N r — концентрация электронов на уровне отражения волны, h 0 — высота начала ионосферы и концентрация электронов, N 0 , на этом уровне высота для расчета.Для местоположения ионозонда «Циклон» (55,85° с.ш.; 48,8° в.д.) угол α равен ~18°. Для корректного расчета виртуальных высот необходимо было подобрать форму профиля N(h) для слоя Е и добавьте к нему изменение профиля слоя E s . Параболическая форма профилей электронной концентрации основных слоев ионосферы часто используется для моделирования. Однако для ионограммы, представленной на рис. 2, использование параболической формы для слоя Е было неудобно из-за того, что необходимо было дополнительно подбирать форму профиля и высоту слоя Е s , чтобы уточнить причину появления двойного бугорка. При таком отборе было удобнее использовать функции, у которых нижняя часть подобна параболе, а верхняя часть плоская и, тем самым, более точно соответствует спорадическому слою Е на ионограмме. Было рассмотрено несколько вариантов функций, пригодных для аппроксимации профиля N(h). Сначала мы использовали полиномиальную функцию вида y=∑k=0nxk. Нижняя часть этой функции также оказалась трудно применимой к рассматриваемой ионограмме. Наиболее удобной функцией оказался гиперболический тангенс, показанный на рис. 4.Значения по оси даны в условных безразмерных единицах. Далее к этой функции применялась сетка высоты и плотности концентрации электронов, чтобы модельная ионограмма была похожа на реальную. В большом прямоугольнике на рис. 4 выбран диапазон изменения переменных (x,y) кривой формы профиля слоя Е. Аналогичным образом устанавливаем верхнюю и нижнюю высотные границы слоя E в соответствии со следами на ионограмме. Квадрат показывает интервал изменения переменных (x,y) для модельной функции профиля слоя E s .

После выбора профиля слоя E виртуальная высота отражения была рассчитана на основе функции гиперболического тангенса с использованием уравнения (2). При этом окно большого прямоугольника и верхняя и нижняя границы высотного интервала менялись до тех пор, пока расчетные виртуальные высоты не становились равными соответствующим высотам слоев E и E s на ионограмме.

3. Результаты

Результат моделирования, представленный на рис. 5, представлен на графике выбранного профиля электронной концентрации зависимости виртуальных высот h от частоты f для О- и Х-мод, полученных из ионограммы на рис. 2 и рассчитанной по уравнению (2) с учетом выбранного высотного профиля N(h).Видно, что полученные в результате моделирования трассы близки к трассам реальной ионограммы. Утолщение профиля в нижней части (подложке) слоя E s , скорее всего, имеет выпуклую вниз параболическую форму, что соответствует малой дисперсионной задержке на высокочастотном конце трассы верхнего возврата. Полумощность этого утолщения нижней части слоя E s составила ~3.5 км, а полумощность основного слоя E s ~0.9 км. Можно сформулировать следующий основной результат моделирования. Установлено, что профиль нижней части основного слоя E s имеет параболическую выпуклую вверх форму. Однако в расчетах удобнее было использовать функцию гиперболического синуса, которую выбирали путем выбора начальной и конечной точек профильной кривой N(h). При выборе другой формы профиля основного слоя E s расчетные следы отражения для О- и Х-мод не соответствуют следам ионограммы, в том числе по типу наблюдаемого двойного возврата .Кроме того, в этом случае расчетные следы необыкновенной компоненты не совпадали с следами реальной ионограммы. Аналогичный профиль слоя E s приведен также в [7], где измерения проводились с помощью СВЧ-радара EISCAT.

4. Обсуждение

Одним из выводов является предположение о существовании двойного слоя E s или двух слоев E s с параболическими профилями электронной плотности малой ширины. При этом один (второй) слой должен иметь критическую частоту верхнего каспа (основной слой E s ).Однако моделирование показало, что расположение первого профиля E s , которое было ниже второго, давало меньшую виртуальную высоту, чем второй слой. При расположении первого слоя над вторым он становится защитным для второго слоя, что не позволит сигналам ионозондирования отражаться от ионосферы.

Можно также предположить наличие двух слоев E s , расположенных в разных местах над точкой наблюдения, но удаленных друг от друга в пределах видимости диаграммы направленности ионозонда.В этом случае произойдет наложение отраженных сигналов от двух слоев, и след на ионограмме будет иметь вид рассеянных отражений. Этого не наблюдалось. Напротив, след от слоя E s на ионограмме имел плавный переход от первого каспа ко второму. Поэтому сделанное предположение об утолщении нижней части слоя E s представляется правильным.

Более того, причиной появления трассы, подобной показанной на рис. 2, с двойным перегибом на низкочастотном конце трассы слоя E s , может быть расслоение слоя E.Долина между слоями E и F является наименее изученной областью ионосферы. В значительной степени долина контролируется зенитным углом солнца и волновыми процессами, приводящими к формированию множественных слоев E s и расслоению слоя E [3,4,13,17]. Мы также наблюдали подобное расслоение в области E, включая слой E s , с помощью метода API [18,20]. Пример такой сложной конфигурации области Е показан на рисунке 6 и рисунке 7.Отметим, что исследования ионосферы, в том числе спорадического слоя Е, с помощью методики API основаны на измерении амплитуд и фаз сигналов, рассеянных неоднородностями на стадии их релаксации. Именно на этой основе мы получаем графики время-высота-амплитуда, подобные показанным на рис. 6. На рис. 6 показана зависимость амплитуды сигнала, рассеянного АПИ, от высоты и времени. Показаны рассеянные сигналы от API в области D (h = 90 км) и от API в слое E (90–135 км). На рис. 6а,б, относящемся к периоду частного солнечного затмения 11 августа 1999 г., отчетливо видны множественные расслоения областей D и Е. Зависимости амплитуд рассеянного сигнала для 12 августа 1999 г. показаны на рис. 6в,г. На рис. 6в показано формирование слабого спорадического слоя Е на высоте 134 км (нижняя граница слоя). На рис. 6г видны рассеянные сигналы от двух соединенных слоев E s в области высот 112–123 км. На рис. 7 представлены высотные профили электронной концентрации, полученные методом API.Методика получения профиля N(h) подробно описана в [18]. На левой панели рис. 7 показаны спорадические слои E s на высоте 115 км и промежуточный слой в долине на высоте 145 км. . На правой панели видны два слоя E s , отстоящие друг от друга по высоте на 10 км. Примеры явлений, связанных со спорадическими слоями, представленные на рис. Рис. 2, можно рассматривать как проявление процесса взаимодействия слоев E и F, в том числе при распространении атмосферных волн [2, 17, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42]. Во многих исследованиях рассматривалось взаимодействие областей E и F при распространении среднемасштабных бегущих ионосферных возмущений (ПИВ), а также влияние солнечных тепловых приливных движений, вызывающих появление так называемых нисходящих промежуточных слоев E s [1,2,3,4,5,8,15,19]. Особенностью промежуточных слоев E s является их появление на высотах между областями E и F и дальнейшее движение вниз в сторону области E. На рис. 8 показан пример наблюдения методом API ночной E s слой, спускающийся с высоты 120–125 км до высоты 105–110 км со скоростью 1 м/с.Наблюдения проводились вечером, ночью и утром 15–16 июня 2001 г. На графике время-высота-амплитуда показаны сигналы, рассеянные API в области D (60–85 км) и в слое E (90–90 км). 120 км). Отчетливо видна волнообразная модуляция слоя E s с периодами от 15 мин до 30 и 60 мин [19].

Как показало моделирование, двойной изгиб на следе от слоя E s на ионограмме образуется за счет утолщения нижней части слоя E s профиля электронной концентрации N(h) или максимального слоя Е. Если плазменная частота в этой части слоя E в момент появления слоя E s мала, то виртуальная высота такого каспа на ионограмме может быть близка к высоте нижней части слоя F из-за дисперсионной задержки в слое Е. По мере постепенного увеличения плазменной частоты рассматриваемого сгущения его след на ионограмме постепенно уменьшается по высоте, напоминая тем самым движение слоев промежуточного спуска E s . Этот случай необходимо учитывать при ионозондовых исследованиях ионосферы.То есть следует учитывать, что утолщенные и нисходящие спорадические слои могут давать сходные следы на ионограмме.

Анализ ионограмм ионозонда «Циклон» также показал, что утолщение нижней части слоя E s может иметь более сложную форму, например, небольшую расслоенность, в какой-то мере сходную со слоистостью F слой в F1 и F2. Это приведет к появлению на ионограмме множественных бугров в начале трассы E s .Кроме того, на ионограммах ионозонда «Циклон» отмечены случаи, когда след второго каспа располагался ниже следа основного слоя E s . Несомненно, такие слои влияют на распространение КВ-радиоволн [38].

5. Выводы

В работе представлены наблюдения двойного каспа на трассе из слоя E s на ионограмме вертикального зондирования ионозонда «Циклон». Было проведено моделирование для уточнения формы профиля нижней части слоев E и E s , что дало указанную трассу.Показано, что наиболее вероятной причиной образования двойного бугра является утолщение нижней части слоя E s . На основании выбора профиля электронной концентрации для слоев E и E s для ионограммы было установлено, что полутолщина утолщения нижней части слоя E s составляет ~3,5 км, а полумощность основного слоя ~ 0,9 км.

Мы еще не знаем, какой физический механизм может создать явление двойного возврата.Мы назвали некоторые возможные причины появления ионограмм с двойной вершиной на следе спорадического слоя Е. Это могут быть расслоения высотного профиля электронной концентрации в нижней ионосфере, в том числе в слоях E и E s , а также возмущения электронной концентрации, вызванные распространением атмосферных волн.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.