Страница 8 из 38
Но начиная со стратосферных высот атмосфера содержит заряженные частицы вполне нормального происхождения, они - порождение космических лучей. Их концентрация на высотах 20 - 30 км, согласно ракетным измерениям, может достигать и даже превосходить тысячу ионов на кубический сантиметр, что ничуть не меньше, чем количество заряженных частиц в области D ионосферы. И все же область высот ниже 50 км практически никогда не относят к ионосфере. Почему?
Потому что исторически под ионосферой понимали область атмосферы, влияющую на распространение радиоволн. Именно благодаря этому влиянию ионосфера и была открыта, именно наземные методы распространения радиоволн и служили источником информации об ионосфере в первые десятилетия ее изучения.
Для распространения радиоволн важна не просто концентрация заряженных частиц в единице объема. Важно, какие это частицы. Ни положительные, ни отрицательные ионы на распространение радиоволн практически не влияют (мы не говорим сейчас о специальных случаях вроде некогерентного рассеяния или свистящих атмосфериков). Все влияние на распространение определяется электронами, которые в силу своей малой массы относительно легко взаимодействуют с полем волны. Таким образом, с точки зрения радиофизики ионосфера кончается там, где "исчезает (или становится пренебрежимо мала) концентрация свободных электронов.
В верхней атмосфере, ниже примерно 80 км, количество свободных электронов быстро падает с уменьшением высоты из-за очень активных процессов прилипания этих электронов к нейтральным частицам. В результате на высоте около 50 км концентрация электронов становится уже настолько мала (скажем, не более 10 электронов на кубический сантиметр), что она практически неощутима методами распространения радиоволн. С точки зрения радиофизики, это и есть нижняя граница ионосферы. Ну а с точки зрения аэрономии? С точки зрения аэрономии - это неправильно. Заряженные частицы на высоте 30 или 40 км ничуть "не хуже" таких же частиц на высотах 60 - 70 км. Почему же последние относятся к ионосферной физике, а первые - нет? И все же бытует исторически более ранняя концепция распространения радиоволн. Ионосфера начинается на высотах 50 - 60 км, где появляются заметные концентрации электронов. Нам остается лишь принимать эту концепцию, а на высотах 20 - 40 км... На этих высотах рассматривать ионы просто как малые составляющие, входящие в компетенцию физикохимии мезосферы и стратосферы.
Итак, начиная с этой принятой нами нижней границы, давайте, двигаясь вверх, посмотрим, как устроена земная ионосфера, из каких частиц, и в каком количестве, она состоит, как ведет себя в пространстве и во времени. Но прежде сделаем еще одно отступление по поводу терминологии "слоев" и "областей".
Когда на первых ионограммах обнаружили, что отражение радиоволн происходит от фиксированных высот, решили, что на этих высотах располагаются слои заряженных частиц, которые и действуют как своего рода электронные зеркала на радиоволны. Слои эти обозначим снизу вверх заглавными буквами латинского алфавита: D, Е и F. Позднее выяснилось, что слой F довольно часто дает два отражения от разных высот, поэтому ввели стратификацию: слой F1 и слой F2.
Первые же ракетные измерения показали, что никаких сколь-нибудь выраженных слоев в ионосфере не существует. Имеется единый монотонный профиль изменения концентрации электронов с высотой, на котором (на высотах 250 - 300 км) виден один основной максимум, который и отождествляется со слоем F2. Остальные отражения, наблюдаемые на ионограммах, происходят не от реальных слоев, а от областей в ионосфере (или точек на высотном профиле [е]), где выполняются определенные условия на величину и градиент электронной концентрации.
Поскольку, однако, к этому времени стало понятно, что разным слоям (или просто разным высотам) соответствует разная физика, отказавшись от буквального понятия "слой", заменили его понятием "область". Стали говорить об области D (60 - 90 км), области Е (90 - 130 км), области F1 (170 - 200 км) и области F2 (200 - 400 км). Несколько раз заходил разговор о существовании области (слоя) С на высотах 50 - 60 км, где некоторые методы измерения [е] дают пик электронной концентрации. Однако широкого распространения концепция слоя С не получила.
Хотя выражение "область" и вытеснило в основном термин "слой", последний иногда используется в литературе (особенно чтобы избежать повторения часто встречающегося слова "область"), но, конечно, лишь как синоним слова "область", а не в своем буквальном значении.
Где сколько электронов
Итак, двигаясь вверх от нашей условной границы 50 км и игнорируя существование проблематического слоя С, мы оказываемся в области D. Это самая тяжелая для исследования часть ионосферы. Почему? Об этом мы поговорим в главе, посвященной области D. Сейчас отметим главное. Область D - единственная область ионосферы, где "уживаются" три типа заряженных частиц: положительные и отрицательные ионы и электроны. Ниже, как мы отмечали, практически нет электронов - они все присоединились к нейтральным частицам и образовали отрицательные ионы. Выше (в области Е) совсем нет отрицательных ионов. Плотность нейтрального газа здесь недостаточна для эффективного прилипания электронов к нейтралам.
Значит, именно в области D происходит "смена власти". Царство отрицательных ионов сменяется царством электронов. Поскольку процесс непрерывный, обязательно где-то есть высота Ар, где концентрации электронов и отрицательных ионов равны. Точное значение hр пока не известно, равно как плохо известны и величины отношения количества отрицательных ионов к количеству электронов ([Х-]/[е] = λ) ниже hр. Считается, что hр≈75 км днем в спокойных условиях. Ночью высота hр должна возрастать, а во время сильных возмущений (вспышка, полярное сияние) - падать. Поскольку в силу так называемой квазинейтральности ионосферной плазмы всегда количества положительно и отрицательно заряженных частиц в единице объема равны:
Формула положительно и отрицательно заряженных частиц в единице объема
мы можем полагать выше hр [Х+]≈[е] и ниже hр [X+]≈[X-].
Рисунок дает пример распределения заряженных частиц в области D для нормального спокойного дня и двух крайних случаев - спокойной ночи и возмущенного дня. Иллюстрируя все сказанное об изменении соотношения между [е] и [Х-], рисунок дает в то же время представление о том, как сильно могут изменяться абсолютные концентрации всех заряженных частиц и прежде всего интересующей нас электронной концентрации.
На самом деле изменчивость электронной концентрации в области D очень велика. Несмотря на технические трудности измерения этой концентрации, известно уже несколько типов вариаций [е] в зависимости от разных геофизических параметров. Чтобы не усложнять наш рассказ, мы не будем останавливаться на этих регулярных вариациях, но посвятим несколько фраз аномальным (возмущенным) условиям в области D.
Больше всего нас будут интересовать три типа возмущений: солнечные вспышки, явления поглощения в полярной шапке и так называемая зимняя аномалия.
Изменчивость электронной концентрации в области D
Первый тип возмущения состоит в резком увеличении концентрации заряженных частиц в области D (иногда в 100 раз и более) непосредственно после вспышки на Солнце. Вызывается такое возмущение, совершенно очевидно, рентгеновским излучением вспышки, которое обычно бывает в сотни и тысячи раз сильнее излучения спокойного Солнца.
Второй тип возмущения также связан с солнечными вспышками, но более косвенным образом. Оно вызывается протонами с энергиями в десятки миллионов электронвольт, вторгающимися в высокоширотную область земной атмосферы (выше примерно 70-й геомагнитной широты - это и есть область полярной шапки) после вспышки на Солнце.