Ионосфера

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

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

Структура ионосферы

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

Слой D

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

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

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

Слой Е

Область Е (90—120 км) характеризуется плотностями плазмы до N_max ~ 10⁵ см⁻³. В этом слое наблюдается рост концентрации электронов в дневное время, поскольку основным источником ионизации является солнечное коротковолновое излучение, к тому же рекомбинация ионов в этом слое идёт очень быстро и ночью плотность ионов может упасть до 10³ см⁻³. Этому процессу противодействует диффузия зарядов из области F, находящейся выше, где концентрация ионов относительно велика, и ночные источники ионизации (геокороное излучение Солнца, метеоры, космические лучи и др.).

Спорадически на высотах 100—110 км возникает слой E_S, очень тонкий (0,5—1 км), но плотный. Особенностью этого подслоя является высокая концентрации электронов (n_e ~ 10⁵ см⁻³), которые оказывают значительное влияние на распространение средних и даже коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы.

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

Слой Е иногда называют «слой Кеннелли — Хевисайда».

Слой F

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

В дневное время также наблюдается образование «ступеньки» в распределении электронной концентрации, вызванной мощным солнечным ультрафиолетовым излучением. Область этой ступеньки называют областью F₁ (150—200 км). Она заметно влияет на распространение коротких радиоволн.

Выше лежащую часть слоя F называют слоем F₂. Здесь плотность заряженных частиц достигает своего максимума — N ~ 10⁵—10⁶ см⁻³.

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

Особенностью слоя F является то, что он отражает радиоволны в диапазоне частот от нескольких мегагерц до 10 мегагерц, что делает возможным передачу радиосигналов коротковолнового диапазона на значительные расстояния.

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

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

Моделирование ионосферы

Модель ионосферы представляет собой распределение значений характеристик плазмы в виде функции

• географического положения,
• высоты,
• дня года,
• а также солнечной и геомагнитной активности.

Для задач геофизики, состояние ионосферной плазмы может быть описано четырьмя основными параметрами:

• электронной плотностью;
• электронной температурой;
• ионной температурой;
• ионным составом (в силу наличия нескольких типов ионов).

Распространение радиоволн, например, зависит исключительно от распределения электронной концентрации.

Обычно модель ионосферы — это компьютерная программа. Она может быть основана на физических законах, определяющих распределение характеристик плазмы в пространстве (учитывающих взаимодействие ионов и электронов с солнечным излучением, нейтральной атмосферой и магнитным полем Земли). Также, она может представлять собой статистическое усреднение большого количества экспериментальной информации. Одной из наиболее часто используемых моделей является модель international reference ionosphere (IRI), построенная на статистической обработке большого количества измерений и способная рассчитывать четыре основных характеристики ионосферы, указанные выше. Проект по созданию и усовершенствованию модели IRI является международным и спонсируется такими организациями, как COSPAR и URSI. Основными источниками данных для модели IRI являются:

• глобальная сеть ионозондов;
• мощные радары некогерентного рассеяния (находятся на Джикамарке, Арэсибо, Майлстоун Хилл, Малверн и Сан-Сантине);
• а также спутниковые зонда ISIS и Alouette и
• точечные измерения с нескольких спутников и ракет.

Модель IRI обновляется ежегодно, с появлением новых экспериментальных данных. Эта модель также была в 2009 году принята Международной организацией по стандартизации (ISO) за международный стандарт TS16457.

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

В связи с этим, модель, способная обеспечить высокую точность описания распределения характеристик плазмы, должна в режиме реального времени усваивать экспериментальную информацию о состоянии ионосферы. Данные, которые могут быть использованы в такого рода подходе должны быть доступны и актуальны и, кроме всего прочего, оперативно обновляемы. Одним из важнейших источников данных, отвечающих такого рода требованиям, является сеть наземных приемников навигационного сигнала спутниковых систем навигации GPS и ГЛОНАСС. По данным о распространении спутникового навигационного сигнала можно вычислить полное содержание электронов вдоль его траектории. Эти данные доступны и обновляются в нескольких архивах, таких, как, например, архив SOPAC. На данный момент в мире существует несколько моделей ассимиляционного типа. Среди них — разработанная при финансировании Министерства обороны США модель GAIM. В России разработки в данном направлении ведутся в ФГУБ «Центральная Аэрологическая Обсерватория».

История исследования

В 1901 году Гульельмо Маркони принял трансатлантический радиосигнал с помощью 152-метровой антенны в городе Сент-Джонс на острове Ньюфаундленд (сейчас является территорией Канады). Передающая станция в Корнуолл, Англия использовала очень мощный (в сто раз мощнее любого, существовавшего в то время) передатчик, испускавший радиоволны на частоте примерно 500 кГц. Сообщение, которое принял Маркони, состояло из трех точек: обозначение азбуки Морзе для английской буквы S. До того, как сигнал достиг Ньюфаундленда, он дважды отразился от ионосферы. Несмотря на все сомнения и кривотолки, которые вызвал эксперимент Маркони, он успешно повторил его год спустя, приняв сигнал в заливе Глэйс, Новая Шотландия, Канада.

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

В 1926 году шотландский физик Роберт Уотсон-Ватт ввел термин ионосфера в письме, опубликованном только в 1969 году в журнале Nature:

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

В 1947 году Эдвард В. Эплтон был удостоен Нобелевской премии по физике за подтверждения существования ионосферы в 1927 году с формулировкой «За исследования физики верхних слоёв атмосферы, в особенности за открытие так называемого слоя Эплтона»

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

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

Ссылки

• Ерухимов Л. М. [journal.issep.rssi.ru/articles/pdf/9804_071.pdf Ионосфера Земли как космическая плазменная лаборатория] — СОЖ, 1998, № 4, с. 71-77.
• Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. [download.nehudlit.ru/nehudlit/self0020/120207_brunelli.rar Физика ионосферы]. — М.: Наука, 1988. — 528 с. — ISBN 5-02-000716-1.
• [iion.org.ua Институт ионосферы МОН и НАН Украины]

Отрывок, характеризующий Ионосфера

– Ну хорошо, хорошо, после расскажешь, – краснея сказала княжна Марья.
– Позвольте у нее спросить, – сказал Пьер. – Ты сама видела? – спросил он.
– Как же, отец, сама удостоилась. Сияние такое на лике то, как свет небесный, а из щечки у матушки так и каплет, так и каплет…
– Да ведь это обман, – наивно сказал Пьер, внимательно слушавший странницу.
– Ах, отец, что говоришь! – с ужасом сказала Пелагеюшка, за защитой обращаясь к княжне Марье.
– Это обманывают народ, – повторил он.
– Господи Иисусе Христе! – крестясь сказала странница. – Ох, не говори, отец. Так то один анарал не верил, сказал: «монахи обманывают», да как сказал, так и ослеп. И приснилось ему, что приходит к нему матушка Печерская и говорит: «уверуй мне, я тебя исцелю». Вот и стал проситься: повези да повези меня к ней. Это я тебе истинную правду говорю, сама видела. Привезли его слепого прямо к ней, подошел, упал, говорит: «исцели! отдам тебе, говорит, в чем царь жаловал». Сама видела, отец, звезда в ней так и вделана. Что ж, – прозрел! Грех говорить так. Бог накажет, – поучительно обратилась она к Пьеру.
– Как же звезда то в образе очутилась? – спросил Пьер.
– В генералы и матушку произвели? – сказал князь Aндрей улыбаясь.
Пелагеюшка вдруг побледнела и всплеснула руками.
– Отец, отец, грех тебе, у тебя сын! – заговорила она, из бледности вдруг переходя в яркую краску.
– Отец, что ты сказал такое, Бог тебя прости. – Она перекрестилась. – Господи, прости его. Матушка, что ж это?… – обратилась она к княжне Марье. Она встала и чуть не плача стала собирать свою сумочку. Ей, видно, было и страшно, и стыдно, что она пользовалась благодеяниями в доме, где могли говорить это, и жалко, что надо было теперь лишиться благодеяний этого дома.
– Ну что вам за охота? – сказала княжна Марья. – Зачем вы пришли ко мне?…
– Нет, ведь я шучу, Пелагеюшка, – сказал Пьер. – Princesse, ma parole, je n'ai pas voulu l'offenser, [Княжна, я право, не хотел обидеть ее,] я так только. Ты не думай, я пошутил, – говорил он, робко улыбаясь и желая загладить свою вину. – Ведь это я, а он так, пошутил только.
Пелагеюшка остановилась недоверчиво, но в лице Пьера была такая искренность раскаяния, и князь Андрей так кротко смотрел то на Пелагеюшку, то на Пьера, что она понемногу успокоилась.


Странница успокоилась и, наведенная опять на разговор, долго потом рассказывала про отца Амфилохия, который был такой святой жизни, что от ручки его ладоном пахло, и о том, как знакомые ей монахи в последнее ее странствие в Киев дали ей ключи от пещер, и как она, взяв с собой сухарики, двое суток провела в пещерах с угодниками. «Помолюсь одному, почитаю, пойду к другому. Сосну, опять пойду приложусь; и такая, матушка, тишина, благодать такая, что и на свет Божий выходить не хочется».
Пьер внимательно и серьезно слушал ее. Князь Андрей вышел из комнаты. И вслед за ним, оставив божьих людей допивать чай, княжна Марья повела Пьера в гостиную.
– Вы очень добры, – сказала она ему.
– Ах, я право не думал оскорбить ее, я так понимаю и высоко ценю эти чувства!
Княжна Марья молча посмотрела на него и нежно улыбнулась. – Ведь я вас давно знаю и люблю как брата, – сказала она. – Как вы нашли Андрея? – спросила она поспешно, не давая ему времени сказать что нибудь в ответ на ее ласковые слова. – Он очень беспокоит меня. Здоровье его зимой лучше, но прошлой весной рана открылась, и доктор сказал, что он должен ехать лечиться. И нравственно я очень боюсь за него. Он не такой характер как мы, женщины, чтобы выстрадать и выплакать свое горе. Он внутри себя носит его. Нынче он весел и оживлен; но это ваш приезд так подействовал на него: он редко бывает таким. Ежели бы вы могли уговорить его поехать за границу! Ему нужна деятельность, а эта ровная, тихая жизнь губит его. Другие не замечают, а я вижу.
В 10 м часу официанты бросились к крыльцу, заслышав бубенчики подъезжавшего экипажа старого князя. Князь Андрей с Пьером тоже вышли на крыльцо.
– Это кто? – спросил старый князь, вылезая из кареты и угадав Пьера.
– AI очень рад! целуй, – сказал он, узнав, кто был незнакомый молодой человек.
Старый князь был в хорошем духе и обласкал Пьера.
Перед ужином князь Андрей, вернувшись назад в кабинет отца, застал старого князя в горячем споре с Пьером.
Пьер доказывал, что придет время, когда не будет больше войны. Старый князь, подтрунивая, но не сердясь, оспаривал его.
– Кровь из жил выпусти, воды налей, тогда войны не будет. Бабьи бредни, бабьи бредни, – проговорил он, но всё таки ласково потрепал Пьера по плечу, и подошел к столу, у которого князь Андрей, видимо не желая вступать в разговор, перебирал бумаги, привезенные князем из города. Старый князь подошел к нему и стал говорить о делах.
– Предводитель, Ростов граф, половины людей не доставил. Приехал в город, вздумал на обед звать, – я ему такой обед задал… А вот просмотри эту… Ну, брат, – обратился князь Николай Андреич к сыну, хлопая по плечу Пьера, – молодец твой приятель, я его полюбил! Разжигает меня. Другой и умные речи говорит, а слушать не хочется, а он и врет да разжигает меня старика. Ну идите, идите, – сказал он, – может быть приду, за ужином вашим посижу. Опять поспорю. Мою дуру, княжну Марью полюби, – прокричал он Пьеру из двери.
Пьер теперь только, в свой приезд в Лысые Горы, оценил всю силу и прелесть своей дружбы с князем Андреем. Эта прелесть выразилась не столько в его отношениях с ним самим, сколько в отношениях со всеми родными и домашними. Пьер с старым, суровым князем и с кроткой и робкой княжной Марьей, несмотря на то, что он их почти не знал, чувствовал себя сразу старым другом. Они все уже любили его. Не только княжна Марья, подкупленная его кроткими отношениями к странницам, самым лучистым взглядом смотрела на него; но маленький, годовой князь Николай, как звал дед, улыбнулся Пьеру и пошел к нему на руки. Михаил Иваныч, m lle Bourienne с радостными улыбками смотрели на него, когда он разговаривал с старым князем.
Старый князь вышел ужинать: это было очевидно для Пьера. Он был с ним оба дня его пребывания в Лысых Горах чрезвычайно ласков, и велел ему приезжать к себе.
Когда Пьер уехал и сошлись вместе все члены семьи, его стали судить, как это всегда бывает после отъезда нового человека и, как это редко бывает, все говорили про него одно хорошее.


Возвратившись в этот раз из отпуска, Ростов в первый раз почувствовал и узнал, до какой степени сильна была его связь с Денисовым и со всем полком.
Когда Ростов подъезжал к полку, он испытывал чувство подобное тому, которое он испытывал, подъезжая к Поварскому дому. Когда он увидал первого гусара в расстегнутом мундире своего полка, когда он узнал рыжего Дементьева, увидал коновязи рыжих лошадей, когда Лаврушка радостно закричал своему барину: «Граф приехал!» и лохматый Денисов, спавший на постели, выбежал из землянки, обнял его, и офицеры сошлись к приезжему, – Ростов испытывал такое же чувство, как когда его обнимала мать, отец и сестры, и слезы радости, подступившие ему к горлу, помешали ему говорить. Полк был тоже дом, и дом неизменно милый и дорогой, как и дом родительский.
Явившись к полковому командиру, получив назначение в прежний эскадрон, сходивши на дежурство и на фуражировку, войдя во все маленькие интересы полка и почувствовав себя лишенным свободы и закованным в одну узкую неизменную рамку, Ростов испытал то же успокоение, ту же опору и то же сознание того, что он здесь дома, на своем месте, которые он чувствовал и под родительским кровом. Не было этой всей безурядицы вольного света, в котором он не находил себе места и ошибался в выборах; не было Сони, с которой надо было или не надо было объясняться. Не было возможности ехать туда или не ехать туда; не было этих 24 часов суток, которые столькими различными способами можно было употребить; не было этого бесчисленного множества людей, из которых никто не был ближе, никто не был дальше; не было этих неясных и неопределенных денежных отношений с отцом, не было напоминания об ужасном проигрыше Долохову! Тут в полку всё было ясно и просто. Весь мир был разделен на два неровные отдела. Один – наш Павлоградский полк, и другой – всё остальное. И до этого остального не было никакого дела. В полку всё было известно: кто был поручик, кто ротмистр, кто хороший, кто дурной человек, и главное, – товарищ. Маркитант верит в долг, жалованье получается в треть; выдумывать и выбирать нечего, только не делай ничего такого, что считается дурным в Павлоградском полку; а пошлют, делай то, что ясно и отчетливо, определено и приказано: и всё будет хорошо.
Вступив снова в эти определенные условия полковой жизни, Ростов испытал радость и успокоение, подобные тем, которые чувствует усталый человек, ложась на отдых. Тем отраднее была в эту кампанию эта полковая жизнь Ростову, что он, после проигрыша Долохову (поступка, которого он, несмотря на все утешения родных, не мог простить себе), решился служить не как прежде, а чтобы загладить свою вину, служить хорошо и быть вполне отличным товарищем и офицером, т. е. прекрасным человеком, что представлялось столь трудным в миру, а в полку столь возможным.
Ростов, со времени своего проигрыша, решил, что он в пять лет заплатит этот долг родителям. Ему посылалось по 10 ти тысяч в год, теперь же он решился брать только две, а остальные предоставлять родителям для уплаты долга.

Армия наша после неоднократных отступлений, наступлений и сражений при Пултуске, при Прейсиш Эйлау, сосредоточивалась около Бартенштейна. Ожидали приезда государя к армии и начала новой кампании.
Павлоградский полк, находившийся в той части армии, которая была в походе 1805 года, укомплектовываясь в России, опоздал к первым действиям кампании. Он не был ни под Пултуском, ни под Прейсиш Эйлау и во второй половине кампании, присоединившись к действующей армии, был причислен к отряду Платова.
Отряд Платова действовал независимо от армии. Несколько раз павлоградцы были частями в перестрелках с неприятелем, захватили пленных и однажды отбили даже экипажи маршала Удино. В апреле месяце павлоградцы несколько недель простояли около разоренной до тла немецкой пустой деревни, не трогаясь с места.
Была ростепель, грязь, холод, реки взломало, дороги сделались непроездны; по нескольку дней не выдавали ни лошадям ни людям провианта. Так как подвоз сделался невозможен, то люди рассыпались по заброшенным пустынным деревням отыскивать картофель, но уже и того находили мало. Всё было съедено, и все жители разбежались; те, которые оставались, были хуже нищих, и отнимать у них уж было нечего, и даже мало – жалостливые солдаты часто вместо того, чтобы пользоваться от них, отдавали им свое последнее.
Павлоградский полк в делах потерял только двух раненых; но от голоду и болезней потерял почти половину людей. В госпиталях умирали так верно, что солдаты, больные лихорадкой и опухолью, происходившими от дурной пищи, предпочитали нести службу, через силу волоча ноги во фронте, чем отправляться в больницы. С открытием весны солдаты стали находить показывавшееся из земли растение, похожее на спаржу, которое они называли почему то машкин сладкий корень, и рассыпались по лугам и полям, отыскивая этот машкин сладкий корень (который был очень горек), саблями выкапывали его и ели, несмотря на приказания не есть этого вредного растения.
Весною между солдатами открылась новая болезнь, опухоль рук, ног и лица, причину которой медики полагали в употреблении этого корня. Но несмотря на запрещение, павлоградские солдаты эскадрона Денисова ели преимущественно машкин сладкий корень, потому что уже вторую неделю растягивали последние сухари, выдавали только по полфунта на человека, а картофель в последнюю посылку привезли мерзлый и проросший. Лошади питались тоже вторую неделю соломенными крышами с домов, были безобразно худы и покрыты еще зимнею, клоками сбившеюся шерстью.
Несмотря на такое бедствие, солдаты и офицеры жили точно так же, как и всегда; так же и теперь, хотя и с бледными и опухлыми лицами и в оборванных мундирах, гусары строились к расчетам, ходили на уборку, чистили лошадей, амуницию, таскали вместо корма солому с крыш и ходили обедать к котлам, от которых вставали голодные, подшучивая над своею гадкой пищей и своим голодом. Также как и всегда, в свободное от службы время солдаты жгли костры, парились голые у огней, курили, отбирали и пекли проросший, прелый картофель и рассказывали и слушали рассказы или о Потемкинских и Суворовских походах, или сказки об Алеше пройдохе, и о поповом батраке Миколке.