|
|
Ионосферные явления (описание)
Введение
Ионосферой называют часть верхней атмосферы Земли, в которой плотность свободных электронов (уровень ионизации)
достаточно велика, чтобы оказывать значительное влияние на распространение радиоволн. Нижняя граница ионосферы
располагается на высоте 50-60 км, верхняя на уровне порядка 1000 км, где ионосфера переходит в плазмосферу или
другие магнитосферные плазменные образования.
Уровень ионизации зависит в первую очередь от активных явлений на Cолнце. Ионосферные структуры и максимумы
плотностей в ионосфере сильно зависят от времени (фазы цикла солнечной активности, времени года и времени суток),
от географического положения (полярная и авроральная зоны, среднеширотные и экваториальные области) и от ионосферных
возмущений, вызванных солнечной активностью.
Основная часть ионизации обусповлена солнечным излучением в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах,
и корпускулярным потоком Солнца. Ионизация возрастает на освещенной Солнцем стороне Земли и убывает на
теневой. Небольшой вклад в ионизацию ионосферы дают и космические лучи. Любое атмосферное возмущение влияет
на распределение ионизации. Ионосфера является динамической системой, контролируемой многими параметрами,
включая звуковые волны в атмосфере, электромагнитное излучение Солнца и вариации геомагнитного поля.
Благодаря своей высокой чувствительности к изменениям в атмосфере, ионосфера способна очень точно отражать
атмосферные события. Некоторые исследователи считают, что есть убедительные свидетельства ионосферных предвестников
больших землетрясений, что может быть использовано в их прогнозе. Кроме очевидных звуковых волн, возникающих
перед и во время землетрясения, в процессе подготовки большого землетрясения генерируются электромагнитные
излучения (ЭМИ). Эти ЭМИ обнаруживаются в ионосфере за несколько дней перед большими землетрясениями,
такими как чилийское землетрясение с М = 8.3 в мае 1960 г.
Определение ионосферных областей
Ионосфера делится на четыре обширных области, называемые D, E, F, и внешнюю ионосферу. Эти области в свою
очередь могут делиться на несколько регулярно появляющихся слоев, таких как F1 или F2.
D область находится приблизительно между 75 и 95 км над поверхностью Земли, E область располагается
приблизительно между 95 и 150 км над поверхностью Земли, что соответствует высоте нормального слоя Е
в дневное время. Другие изолированные отдельные слои, нерегулярно проявляющиеся внутри этой области,
также обозначаются буквой E, это весьма изменчивый тонкий спорадический слой - Es.
Ионный состав этой области в основном определяется ионами NO+ и O2+.
F область находится выше 150 км, в ней обнаружен наиболее значимый отражающий слой F2.
Другие слои внутри этой области также описываются с использованием буквы F.
Это регулярный слой умеренных широт F1 и низкоширотный полурегулярный слой F1.5. Нижняя часть слоя F в
основном содержит ионы NO+, а в верхней части преобладают ионы O+.
F слой является областью, наиболее интересной для радиосвязи. Внешняя область ионосферы начинается
с высоты максимальной плотности слоя F2 и простирается вверх до высот, где концентрация ионов O+
становится значительно меньше, чем H+ и He+ ионов. Эта переходная высота меняется, но редко падает
ниже 500 км ночью или 800 км днем, хотя временами может достигать высот более 1000 км.
Выше переходной высоты слабая ионизация имеет малое влияние на проходящие через ионосферу радиосигналы.
Вертикальное зондирование ионосферы
Первые опыты по зондированию ионосферы относятся к 1925 г. С 1947 г. для автоматического измерения
характеристик ионосферы используются ионозонды. В 1957-1958 гг., когда проходил Международный
Геофизический Год (МГГ), усилиями международного сообщества была создана мировая сеть станций
вертикального зондирования, на которой в 1957-1959 гг. (период максимума солнечной активности) были проведены
измерения параметров ионосферы. Ионозонды были относительно простым и недорогим оборудованием,
удовлетворяющим современным стандартам. Ионозонды, производимые в разных странах, несмотря на некоторые
различия, позволяли получать с мировой сети станций стандартные фотографические изображения - ионограммы.
После МГГ в мировой сети непрерывно функционируют от 100 до 200 станций вертикального зондирования.
Ионограммы
Наиболее точным способом оценки состояния ионосферы является регистрация данных специальными приборами -
ионозондами - в виде ионограмм, являющихся высотно-частотными характеристиками ионосферы.
Ионограммы регистрируют следы отражений высокочастотных импульсных радиосигналов, генерируемых ионозондами.
Существует тесная связь между частотой зондирования и степенью ионизации слоя, который может отражать
посланный сигнал. т.к. передатчик ионозонда излучает от низких к высоким частотам и сигнал превышает
шум коммерческих радиоисточников, приемник ионозонда регистрирует отраженный сигнал от различных слоев
ионосферы. Эти отраженные сигналы формируют характерные "следы", которые и составляют ионограмму.
Импульсные радиосигналы распространяются в ионосфере более медленно, чем в свободном пространстве,
поэтому вместо истинной высоты регистрируется кажущаяся или "действующая" высота отражения, которая
всегда превышает истинную высоту отражения. Для частот, достигающих слоя с максимальным уровнем
электронной концентрации, действующая высота становится бесконечной. Частоты, на которых это происходит,
называются критическими частотами.
Из ионограмм определяются вручную или автоматически с помощью специальных компьютерных программ
критические частоты (обозначаемые как foE, foF1 и foF2 и т.д.) и характерные величины
действующих высот (обозначаемых как h'E, h'F и h'F2 и т.д.) для каждого слоя.
Обычно на ионосферных станциях регистрируют одну ионограмму каждые 15 минут.
В случае ручной обработки определяются только часовые значения. Современные ионозонды с автоматической
компьютерной обработкой переводят в численные данные все регистрируемые ионограммы.
Окончательные численные величины вместе с оригинальными ионограммами и отчётами станций хранятся в пяти
Мировых Центрах Данных по Ионосфере (МЦД по Ионосфере).
|
|
|
