Ионосфера

Ионосфе́ра, в общем значении — верхняя область атмосферы планеты c высокой концентрацией свободных ионов и электронов, ионизированная ультрафиолетовым и рентгеновским облучением, а также космическими лучами. Ионы и электроны ионосферы находятся под действием гравитационного и магнитного полей. У планеты Земля это верхняя часть атмосферы, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, ионизированная главным образом излучением Солнца^[1][2].

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

В начале 1920-х годов советский учёный М. В. Шулейкин установил, что в ионосфере должно быть по крайней мере два локальных максимума электронной концентрации: один на высоте порядка 100 км, а другой примерно на высоте 200 км. Анализируя результаты измерений напряжённости поля дальних радиостанций в различных пунктах земной поверхности, он пришёл также к выводу о существовании в ионосфере неоднородностей, имеющих форму облаков. В результате отражения радиоволн от таких облачных образований к антенне приёмного устройства могут прийти два и более лучей, при сложении которых возможно либо усиление, либо ослабление (замирание) принимаемого сигнала. Итогом работы М. В. Шулейкина была разработка основы современной теории преломления радиоволн в ионосфере. Его работы о влиянии ионосферы на распространение радиоволн нашли дальнейшее развитие в последующих исследованиях Л. А. Жекулина, В. Л. Гинзбурга и ряда других отечественных учёных. В зависимости от распределения по высоте концентрации заряженных частиц N ионосферу разделяют на области D, E и F (который в летнее дневное, а иногда в возмущённое время подвергается бифуркации на два слоя F₁ и F₂).

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^[3].

Область E (90—120 км) характеризуется плотностями плазмы до N_max~ 10⁵ см⁻³. Она делится на регулярный слой E и нерегулярный, спорадический. В регулярном слое E 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.).

На высотах 100—120 км практически всегда наблюдается слой E_S, очень тонкий (0,5—1 км), но плотный, получивший название спорадический. Особенностью этого подслоя является отражение радиоволн зондирования, соответствующее необычно высокой для области E 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 E иногда называют «слой Кеннелли^[англ.] — Хевисайда».

Областью F называют теперь всю ионосферу выше 130—140 км. Максимум ионообразования достигается на высотах 150—200 км. Однако вследствие диффузии и относительно долгой длительности жизни ионов образовавшаяся плазма распространяется 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 области 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 — атомы гелия.

Особенностью области F является то, что она отражает радиоволны в диапазоне коротких (декаметровых) волн на частотах от нескольких до 10 мегагерц, что делает возможным передачу таких радиосигналов на значительные расстояния.^[]

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

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

Модель ионосферы представляет собой распределение значений характеристик ионосферной 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:

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

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

Обычно модель ионосферы является компьютерной программой^[4]. 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)^[5], 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^[6] и URSI^[7]. Основными источниками данных для модели IRI являются:

• глобальная сеть ионозондов;
• мощные радары некогерентного рассеяния (находятся на Джикамарке, Арэсибо, Майлстоун Хилл, Малверн и Сан-Сантине);
• спутниковые зонды, такие как ISIS^[англ.], Alouette, Космос-381 «Ионосферная станция», Интеркосмос-19 «Ионозонд-ИК», Космос-1809 «Ионозонд».
• измерения параметров ионосферы со 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 приёмников сигнала спутниковых систем навигации GPS и ГЛОНАСС. По данным о распространении спутникового навигационного сигнала можно приблизительно вычислить полное содержание электронов вдоль его траектории. Эти данные доступны и обновляются в нескольких архивах, таких, как, например, архив SOPAC^[8]. На данный момент в мире существует несколько моделей ассимиляционного типа. Среди них — разработанная при финансировании Министерства обороны США модель GAIM^[9]. В России разработки в данном направлении ведутся в ФГУБ «Центральная Аэрологическая Обсерватория»^[10].

В 1901 году Гульельмо Маркони объявил, что принял трансатлантический телеграфный радиосигнал с помощью 152-метровой антенны в городе Сент-Джонс на острове Ньюфаундленд (сейчас является территорией Канады); передающая станция находилась в Корнуолле, Англия. Реальность такого приёма с имеющимся на тот момент оборудованием впоследствии была опровергнута, но заявление Маркони могло послужить толчком к последующим теоретическим исследованиям. Достоверными фактами считаются трансатлантические радиопередачи с аппаратурой Маркони, осуществлённые в 1902 году^[11].

Английский физик Оливер Хевисайд в 1902 году предположил наличие ионизированного слоя в атмосфере. Его теория включала в себя возможность распространения радиосигнала вокруг Земли, несмотря на её кривизну. Независимо от Хевисайда эксперименты по дальнему приёму коротких волн через Атлантику между Европой и Америкой проводил американский инженер-электрик Артур Кеннели^[12]. Они предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Его назвали слоем Хевисайда — Кеннели, а затем — ионосферой. Возможно, именно предположения Хевисайда и Кеннели вкупе с законом излучения абсолютно чёрного тела, выведенного Максом Планком, способствовали бурному развитию радиоастрономии с 1932 года (а также послужило отправной точкой при создании высокочастотных систем типа приёмник — передатчик).

В 1926 году шотландский физик Роберт Уотсон-Ватт ввёл 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 подтверждение существования ионосферы в 1927 году с формулировкой «За исследования физики верхних слоёв атмосферы, в особенности за открытие так называемого слоя Эплтона»^[13]

Ллойд Беркнер был первым, кто впервые измерил высоту и плотность ионосферы, что несомненно поспособствовало разработке 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.^[14]

В 1962 году был запущен канадский спутник Alouette-1 для изучения ионосферы выше главного максимума.^[15] После его успеха также для измерения и исследования ионосферы были отправлены Alouette-2 в 1965 году и два спутника ISIS^[16] в 1969 и 1971 годах.

2019: Ionospheric Connection Explorer^[англ.] (ICON), запущен 11 октября 2019 при помощи РН «Пегас».

• Резонанс Шумана

• Ришбет Г., Гарриот О. К. Введение в физику ионосферы. Пер. с англ. Под ред. Г. С. Иванова-Холодного. — М. : Гидрометеоиздат. 1975. — С. 304.
• Ерухимов Л. М. Ионосфера Земли как космическая плазменная лаборатория — СОЖ, 1998, № 4, с. 71-77.
• Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. — М.: Наука, 1988. — 528 с. — ISBN 5-02-000716-1. (недоступная ссылка)
• Ионосфера и плазмосфера / И. А. Кринберг, А. В. Тащилин; СО АН СССР, Сиб. ин-т земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн ; отв. ред. П. А. Щепкин. - Москва : Наука, 1984. - 189 с.
• Институт ионосферы МОН и НАН Украины.