Страница 22 из 38
Объясняемое таким образом увеличение высоты максимума слоя F2 имеет прямое отношение к проблеме поддержания (вернее, сохранения) ночного слоя F2. Поскольку, как мы знаем, коэффициент рекомбинации β пропорционален концентрации молекул, а последняя уменьшается с высотой, подъем слоя примерно на 100 км означает перенос его в область медленной рекомбинации. Настолько медленной, что слой не успевает полностью исчезнуть в течение ночи и может сохраняться как остаток дневной ионизации. Это - качественное объяснение существования слоя F2 ночью. Количественные расчеты показывают, что для согласования с многочисленными наблюдениями необходима небольшая дополнительная "подкачка" ионизации ночью.
Ясен уже и механизм этой подкачки. Ее осуществляют потоки плазмы (ионов и электронов) из более высоких областей.
Оказалось, что ионосфера находится в своеобразных отношениях взаимообмена с расположенной выше плазмосферой. Днем, когда на ионосферных высотах интенсивно идет фотоионизация, ионосфера может себе позволить поделиться частью образующейся плазмы и та устремляется вверх, образуя поток ионов и электронов. Ночью, когда фотоионизации нет, рекомбинация (которая активна в ионосфере, но практически отсутствует в плазмосфере) начинает быстро уничтожать заряженные частицы в области F2. И здесь плазмосфера возвращает свой долг, посылая потоки плазмы вниз в ионосферу, чтобы поддержать истощенный рекомбинацией профиль электронной концентрации. Таким образом, потоки частиц из плазмосферы (их величина составляет 107-108см-2×с-1) вместе с системой нейтральных ветров объясняют обе особенности ночной области F2 - сохранение достаточно высоких концентраций электронов и подъем максимума слоя.
Вторая особенность области F2 - так называемая зимняя аномалия (не путать с зимней аномалией поглощения радиоволн в области D). Она состоит в том, что дневная электронная концентрация в максимуме слоя F2 зимой выше, чем летом. На первый взгляд, это явно противоречит здравому смыслу. Ведь летом больше время облучения атмосферы солнечным излучением, вызывающим ионизацию, значит, должна бы быть больше (а уж никак не меньше!) и концентрация заряженных частиц. Такое поведение [е] в области F2 выглядело настолько странным, что его назвали летне-зимней аномалией. Так сказать, явное отклонение от кажущегося здравого смысла. Известно при этом, что высота максимума слоя F2 зимой меньше (на 20 - 30 км), чем летом.
С самого начала исследований зимней аномалии в области F2 ее пытаются связать с изменением отношения атомных и молекулярных компонент [О]/[N2]. Наиболее простое объяснение состоит в том, что зимой (когда освещенность Солнцем меньше) температуры атмосферы ниже и, следовательно, по законам диффузионного разделения, выше отношение [О]/[N2]. А электронная концентрация, как мы уже говорили, пропорциональна этому отношению.
Выяснилось, что есть еще один фактор, который изменяет равновесную концентрацию электронов при изменении температуры в нужную нам сторону. Этот фактор - константа γ ионно-молекулярной реакции O+ + N2, которая в значительной мере определяет величину коэффициента β. При уменьшении Tн от лета к зиме будет уменьшаться величина γ, а значит, и β, что приведет к росту равновесной концентрации электронов зимой по сравнению с летом при тех же величинах g.
Небольшое увеличение высоты максимума hM летом по сравнению с зимой тоже легко объясняется в рамках описанной картины. Ведь летом выше р (как за счет роста количества молекул, так и за счет прямого влияния Tн на константу , а следовательно, нижняя часть слоя активнее уничтожается рекомбинацией и максимум перемещается вверх.
Известно, что сезонная аномалия по-разному проявляется на разных широтах и в годы различной активности Солнца. В высоких широтах и в годы максимума активности наблюдается наибольший рост [е] от лета к зиме. В период солнечного минимума и на низких широтах эффект зимней аномалии, как правило, мал. Эти особенности явления объясняют разным характером вариаций параметров все той же нейтральной атмосферы. Из измерений нейтрального состава известно, что амплитуда сезонных вариаций температуры (а следовательно, и концентраций О и N2) как раз растет с увеличением широты места и солнечной активности. На низких широтах при минимуме активности эти вариации малы и могут перекрываться полугодовыми вариациями состава, о которых мы рассказывали в главе 2.
В самое последнее время благодаря спутниковым измерениям нейтрального состава удалось пролить свет на третью важную особенность поведения области F2. Речь идет о так называемых отрицательных ионосферных возмущениях. Известно, что во время (или чуть позже) магнитной бури уменьшаются критические частоты слоя F2, т. е. уменьшается электронная концентрация. Это обычно выражено тем сильнее, чем сильнее буря и чем на более высоких широтах расположена ионосферная станция (на станциях в приэкваториальной зоне отрицательных возмущений не видят никогда). Иногда, однако, возмущение проявляется на среднеширотных станциях, тогда как в высоких широтах ионосфера остается спокойной.
Перестройка
Причину отрицательных возмущений также связывают все с тем же пресловутым отношением [O]/[N2]. Однако объяснить, почему во время магнитной бури уменьшается это отношение (напомним, в области F2 [e]∞[0]/[N2]) на средних широтах, не так просто. Известно, что во время возмущений магнитного поля Земли энергичные частицы из магнитосферы и околоземного космического пространства проникают в верхнюю атмосферу высоких широт, вызывая там целый ряд явлений, от полярных сияний до полного нарушения коротковолновой радиосвязи. При этом в полярной зоне происходит разогрев верхней атмосферы на высотах, больших 120-150 км.
Указанный разогрев может быть причиной того, что во время магнитного возмущения уменьшается отношение [O]/[N2] и соответственно падают равновесные величины [е] в полярной области. Но как объяснить при этом падение (хотя и в меньшей мере) электронной концентрации на средних широтах?
Нагретый в полярной области атмосферный газ может переноситься на более низкие широты в результате так называемой меридиональной циркуляции (т. е. переноса газа на той же высоте вдоль меридиана от полюсов к экватору). При этом газ будет остывать и отношение [O]/[N2] будет возрастать до своего нормального значения. Такая модель качественно объясняет обычное уменьшение амплитуды отрицательного возмущения с уменьшением широты.
Другая модель изменения состава предполагает, что нагретая область атмосферы в полярных широтах может являться источником гравитационных волн. Проникая в среднеширотную атмосферу, эти волны могут вызывать изменение состава (и прежде всего отношения [O]/[N2]) на уровне турбопаузы (105 - 110 км), который определяет состав газа в расположенной выше гетеросфере. Эта модель не так наглядна, как первая, и содержит больше неясностей в физике. Однако есть экспериментальные данные, которые указывают на то, что состав на уровне турбопаузы действительно меняется во время магнитной бури.
Отношения [O]/[N2]
Каков механизм изменения отношения [O]/[N2] в средних широтах, окончательно пока неясно. Но совершенно ясно, что отрицательные ионосферные возмущения действительно контролируются вариациями состава. На спутнике "ЭСРО-4" были проведены аккуратные измерения состава на высотах области F2 во время нескольких магнитных бурь. Выяснилось, что во время бури [О]/[N2] в области F2 действительно уменьшается, причем амплитуда этого уменьшения падает с уменьшением широты. Чем сильнее буря, тем сильнее выражен эффект и тем до более низких широт простирается область возмущенной атмосферы (см. рисунок внизу). Эти данные были детально сопоставлены с одновременными наземными наблюдениями изменения f0F2. Связь между [O]/[N2] и f0F2 оказалась поразительной. Ионосферные станции, расположенные в зоне возмущенной атмосферы, регистрируют отрицательное возмущение, причем его эффект тем сильнее, чем меньше [О]/[N2]. Станции, расположенные вне зоны, отрицательных возмущений не регистрируют. При этом иногда зона возмущений может быть не такой, как на рисунке, и иметь минимум [О]/[N2] в средних широтах. Это объясняет, почему во время некоторых бурь отрицательные возмущения видят только на среднеширотных станциях и не видят в высоких широтах. Но, конечно, объяснить такое широтное распределение [О]/[N2] во время возмущения с точки зрения современной теории еще труднее, чем обычное возрастание [О]/[N2] в высоких широтах.