Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Іоносфера



План:


Введення

Будова атмосфери

Іоносфера (або термосфера) - частина верхньої атмосфери Землі, сильно іонізуюча внаслідок опромінення космічними променями, що йдуть, в першу чергу, від Сонця.

Іоносфера складається із суміші газу нейтральних атомів і молекул (в основному азоту N 2 і кисню О 2) та квазинейтральной плазми (число негативно заряджених частинок лише приблизно дорівнює числу позитивно заряджених). Ступінь іонізації стає істотною вже на висоті 60 кілометрів і неухильно збільшується з віддаленням від Землі.


1. Структура іоносфери

Іонограми - залежність щільності плазми (вимірювану по критичної частоті) від висоти над землею

В залежності від щільності заряджених частинок N в іоносфері виділяються шари D, Е і F.

1.1. Шар D

В області D (60-90 км) концентрація заряджених частинок становить N max ~ 10 -10 см -3 - це область слабкої іонізації. Основний внесок в іонізацію цій галузі вносить рентгенівське випромінювання Сонця. Також невелику роль відіграють додаткові слабкі джерела іонізації: метеорити, згоряють на висотах 60-100 км, космічні промені, а також енергійні частинки магнітосфери (заносяться в цей шар під час магнітних бурь).

Шар D також характеризується різким зниженням ступеня іонізації в нічний час доби.


1.2. Шар Е

Область Е (90-120 км) характеризується густиною плазми до N max ~ 10 5 см -3. У цьому шарі спостерігається зростання концентрації електронів в денний час, оскільки основним джерелом іонізації є сонячне короткохвильове випромінювання, до того ж рекомбінація іонів в цьому шарі йде дуже швидко і вночі щільність іонів може впасти до 10 см -3. Цьому процесу протидіє дифузія зарядів з області F, що знаходиться вище, де концентрація іонів відносно велика, і нічні джерела іонізації (геокороной випромінювання Сонця, метеори, космічні промені та ін.)

Спорадично на висотах 100-110 км виникає шар E S, дуже тонкий (0,5-1 км), але щільний. Особливістю цього підшару є висока концентрації електронів (n e ~ 10 5 см -3), які роблять значний вплив на поширення середніх і навіть коротких радіохвиль, що відбиваються від цієї області іоносфери.

Шар E в силу відносно високої концентрації вільних носіїв струму відіграє важливу роль у поширенні середніх і коротких хвиль.


1.3. Шар F

Областю F називають тепер всю іоносферу вище 130-140 км. Максимум іонобразованія досягається на висотах 150-200 км. Однак внаслідок дифузії і відносно довгої тривалості життя іонів утворилася плазма поширюються вгору і вниз від області максимуму. Через це максимальна концентрація електронів та іонів у галузі F знаходиться на висотах 250-400 км.

У денний час також спостерігається утворення "сходинки" в розподілі електронної концентрації, викликаної потужним сонячним ультрафіолетовим випромінюванням. Область цієї сходинки називають областю F 1 (150-200 км). Вона помітно впливає на поширення коротких радіохвиль.

Вище лежить частина cлоя F називають шаром F 2. Тут щільність заряджених частинок досягає свого максимуму - N ~ 10 5 -10 6 см -3.

На великих висотах переважають більш легкі іони кисню (до висот 400-1000 км), а ще вище - іони водню (протони) і в невеликих кількостях - іони гелію.


2. Моделювання іоносфери

Модель іоносфери представляє собою розподіл значень характеристик плазми у вигляді функції географічного положення, висоти, дня року, а так же сонячної та геомагнітної активності. Для задач геофізики, стан іоносферної плазми може бути описано чотирма основними параметрами: електронною щільністю, електронної та іонної температурами і, в силу наявності декількох типів іонів, іонним складом. Поширення радіохвиль, наприклад, залежить виключно від розподілу електронної концентрації.

Зазвичай модель іоносфери - це комп'ютерна програма. Вона може бути заснована на фізичних законах, що визначають розподіл характеристик плазми в просторі (враховують взаємодію іонів та електронів з сонячним випромінюванням, нейтральною атмосферою і магнітним полем Землі). Також, вона може являти собою статистичне усереднення великої кількості експериментальної інформації. Однією з найбільш часто використовуваних моделей є модель International Reference Ionosphere (IRI) [1], побудована на статистичній обробці великої кількості вимірювань і здатна розраховувати чотири основні характеристики іоносфери, зазначені вище. Проект по створенню та вдосконаленню моделі IRI є міжнародним і спонсорується такими організаціями, як COSPAR [2] і URSI [3]. Основними джерелами даних для моделі IRI є глобальна мережа іонозондов, потужні радари некогерентного розсіяння (знаходяться на Джікамарке, Аресібо, Майлстоун Хілл, Малверн і Сан-Сантіні), а так же супутникові зонда ISIS і Alouette і точкові вимірювання з декількох супутників і ракет. Модель IRI оновлюється щорічно, з появою нових експериментальних даних. Ця модель також була в 2009 році прийнята Міжнародною Організацією по Стандартизації (ISO) за міжнародний стандарт TS16457.

Одним з ефективних методів моделювання іоносфери, є так звана техніка асиміляції даних. Суть цієї методики полягає у коригуванні фізичної моделі іоносфери за допомогою оперативно одержуваних експериментальних даних. Звичайна модель іоносфери, заснована на фізиці досліджуваних процесів, не може охопити всього діапазону факторів, що впливають на стан плазми. Це пов'язано з тим, що деякі необхідні для цього величини складно виміряти експериментально (швидкості вітру на висотах термосфери, проходження крізь атмосферу космічних променів та ін.) Крім того, навіть вплив добре вивчених факторів, таких, наприклад, як сонячна активність, важко передбачити.

У зв'язку з цим, модель, здатна забезпечити високу точність опису розподілу характеристик плазми, повинна в режимі реального часу засвоювати експериментальну інформацію про стан іоносфери. Дані, які можуть бути використані в такого роду підході повинні бути доступні і актуальні і, крім усього іншого, оперативно оновлюється. Одним з найважливіших джерел даних, що відповідають такого роду вимогам, є мережа наземних приймачів навігаційного сигналу супутникових систем навігації GPS і ГЛОНАСС. За даними про поширення супутникового навігаційного сигналу можна обчислити повний зміст електронів уздовж його траєкторії. Ці дані доступні і оновлюються в кількох архівах, таких, як, наприклад, архів SOPAC [4]. На даний момент у світі існує кілька моделей асиміляційного типу. Серед них - розроблена при фінансуванні Міністерства Оборони США модель GAIM [5]. У Росії розробки в даному напрямку ведуться в ФГУБ "Центральна Аерологічний Обсерваторія" [6].


3. Історія дослідження

У 1901 році Гульєльмо Марконі взяв трансатлантичний радіосигнал за допомогою 152-метрової антени в місті Сент-Джонс на острові Ньюфаундленд (зараз є територією Канади). Передавальна станція в Корнуолл, Англія використовувала дуже потужний (в сто разів могутніше будь-якого, що існував на той час) передавач, що випускає радіохвилі на частоті приблизно 500 кГц. Повідомлення, яке прийняв Марконі, складалося з трьох точок: позначення азбуки Морзе для англійської літери S. До того, як сигнал досяг Ньюфаундленду, він двічі відбився від іоносфери. Незважаючи на всі сумніви і пересуди, які викликав експеримент Марконі, він успішно повторив його рік тому, прийнявши сигнал в затоці Глейс, Нова Шотландія, Канада.

Англійський фізик Олівер Хевісайда припустив наявність іонізованого шару в атмосфері в 1902 році. Його теорія включала в себе можливість поширення радіосигналу навколо Землі, незважаючи на її кривизну. Незалежно від Хевісайда експерименти по дальньому прийому коротких хвиль через Атлантику між Європою і Америкою проводив американський інженер-електрик Артур Кеннелі [7]. Вони припустили, що десь навколо Землі існує іонізований шар атмосфери, здатний відображати радіохвилі. Його назвали шаром Хевісайда - Кеннелі, а потім - іоносферою. Можливо, саме припущення Хевісайда і Кеннелі укупі з законом випромінювання абсолютно чорного тіла, виведеного Максом Планком, сприяла бурхливому розвитку радіоастрономії з 1932 року (а так само послужило відправною точкою при створенні високочастотних систем типу приймач - передавач).

У 1926 році шотландський фізик Роберт Уотсон-Ватт ввів термін іоносфера в листі, опублікованому тільки в 1969 році в журналі Nature :

Останнім часом терміни для опису шарів атмосфери, такі як 'стратосфера' і 'тропосфера' все міцніше входять в лексикон наукового співтовариства ... Термін 'іоносфера', що відноситься до області атмосфери з високою іонізацією і великими довжинами вільних пробігів заряджених частинок, здається, добре підходить в цей ряд.

У 1947 році Едвард В. Еплтон був удостоєний Нобелівської премії з фізики за підтвердження існування іоносфери в 1927 році з формулюванням "За дослідження фізики верхніх шарів атмосфери, особливо за відкриття так званого шару Еплтона" [8]

Лойд Беркнер був першим, хто вперше виміряв висоту і щільність іоносфери, що безсумнівно посприяло теорії розповсюдження коротких радіохвиль. Моріс Уилкс і Джон Реткліфф досліджували поширення дуже довгих радіохвиль в іоносфері. Віталій Гінзбург розробив теорію розповсюдження електромагнітних хвиль в плазмі зокрема в іоносфері. [9]

У 1962 році був запущений канадський супутник Alouette-1 для вивчення іоносфери. [10] Після його успіху так само для вимірювання та дослідження іоносфери були відправлені Alouette-2 в 1965 році і два супутники ISIS [11] в 1969 і 1971 роках.


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Іоносфера Марса
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru