Одновременно с появлением новых электронов в ионосфере часть имеющихся электронов исчезает, присоединяясь к поло­жительным и нейтральным молекулам. При этом образуются нейтральные молекулы и отрицательные ионы.

    Процесс воссоединения заряженных частиц и образования нейтральных моле­кул называется   рекомбинацией.

     После прекращения действия источника ионизации электронная плотность спадает по гиперболическому закону. Поэтому с за­ходом Солнца ионизация в нижних слоях ионосферы исчезает не мгновенно, а в верх­них слоях — сохраняется в течение всей но­чи.

     4.2. Строение ионосферы

     Общая   картина     распределения     элек­тронной плотности по высоте h над земной поверхностью изображена на (рис. 4.1). На высоте 250—400 км, имеется основной максимум ионизации. Область ионосферы ниже основного максимума ионизации принято называть внутренней ионосферой, а область ионосферы выше основного мак­симума — внешней ионосферой. Наиболее изучена внутренняя ионосфера.
Во внутренней ионосфере существуют не­сколько неярко выраженных максимумов концентрации электронов, условно называемых слоями (областями), которые принято обозначать символами D, E, F1 и F2. Области ионосферы D, Е и F1 обладают доста­точно высоким постоянством, проявляющим­ся в том, что суточный ход изменения электронной концентрации и высота их располо­жения сохраняются почти неизменными. С наступлением темноты из-за быстрой ре­комбинации исчезают области D и F1. В то же время электронная концентрация области Е сохраняет постоянное значение в те­чение всей ночи.

     В области F2 электронная концентра­ция и высота расположения максимума значительно изменяются день ото дня. При этом ионизация различна в летнее и зим­нее время. Зимой (в северном полушарии) электронная концентрация в этой области увеличивается. Суточный ход электронной концентрации области  F2 зависит также от геомагнитной широты (расстояния в граду­сах дуги от магнитного экватора Земли до точки наблюдения).

     Ионосфера неоднородна и в горизон­тальном направлении. Максимальные гори­зонтальные градиенты электронной плотно­сти наблюдаются во время захода и восхо­да Солнца, но они существенно меньше вер­тикальных градиентов.

    Наряду с рассмотренными регулярны­ми областями ионосферы иногда на высоте 95—125 км образуется так называемый спо­радический слой Е (слой ), в котором электронная концентрация в несколько раз превышает концентрацию области Е. Слой  в средних широтах чаще образуется днем в летние месяцы. В полярных же районах слой  возникает в основном в ночное время.

     Поскольку солнечное излучение является основным источником ионизации атмосфе­ры Земли, то от активности Солнца зависит
и процесс ионизации. Замечено, что актив­ность Солнца изменяется с периодичностью в 11 лет. Критерием солнечной активности служит относительное число солнечных пя­тен, которое характеризует площадь поверхности Солнца, имеющую наиболее высокую температуру. В  настоящее время разработаны методы прогнозирова­ния числа солнечных пятен на много лет вперед и более точно на ближайшие годы. Прогнозирование    числа    солнечных  пятен важно в связи с тем, что электронная плот­ность ионосферы коррелированна со средне­месячными     числами     солнечных     пятен. Максимум электронной концентрации увели­чивается в 1,4—3 раза при переходе от ми­нимума к максимуму солнечной активности.

      Регулярная слоистая структура ионо­сферы временами нарушается, причем эти нарушения вызваны изменением деятельно­сти Солнца, наблюдающимся особенно час­то в годы максимума солнечной активности. Происходящие на Солнце время от времени вспышки являются причиной из­вержения потоков заряженных частиц, попадающих в атмосферу Земли и нарушающих нормальный режим ионизации ионо­сферы.   Структура ионосферы   нарушается также под действием процессов, происхо­дящих в коре Земли и нижних слоях атмосферы, например во время извержения вул­канов.

Рис. 4.1. Распределение электронной

плотности по высоте атмосферы

 Изменение ионизации сопровождается изменением магнитного поля Земли и это явление носит название ионосферно - магнитной   бури. Во время ионосферно-магнитной бури понижается элек­тронная плотность в области слоя F. На­рушения этого вида могут длиться от нескольких часов до двух суток и происхо­дят главным образом в приполярных районах.

     Временами на Солнце происходят вспышки интенсивного ультрафиолетового излучения, вызывающего повышенную иони­зацию нижней ионосферы в слое D. Это явление может длиться от нескольких ми­нут до нескольких часов и происходит толь­ко на освещенной  стороне  земного  шара.

     Исследования показали, что помимо регулярных и нерегулярных изменений средних величин электронной плотности в ионосфере происходят непрерывные флук­туации электронной плотности. В ионосфере непрерывно происходят сгущения и разря­жения плотности ионизации, нерегулярные как во времени так и от точки к точке. Кро­ме того, под действием ветров вся неодно­родная структура ионосферы перемещается. Причинами образования неоднородностей в ионосфере являются турбулентное движение воздуха и неоднородность ионизации.

     Неоднородности представляют собой некоторые области с электронной плотно­стью, отличной от среднего значения элек­тронной плотности на данной высоте ионо­сферы. Размеры неоднородностей на высо­те 60—80 км в слое D составляют до не­скольких десятков метров, на высоте слоя  E - 200—300 м, а в слое F размер неодно­родностей достигает нескольких километ­ров, причем они имеют продолговатую форму и вытянуты вдоль силовых линий посто­янного магнитного поля.

     Отклонение электронной плотности не­однородностей от среднего значения элек­тронной плотности на данной высоте со­ставляет                 (0,1 — 1) %; скорость хаотического движения 1—2 м/с. 

4.3. Диэлектрическая проницаемость и проводимость  ионизированного газа (плазмы)

    Относительная диэлектрическая прони­цаемость ионизированного газа отличается от единицы из-за того, что под действием электрического поля проходящей волны электроны получают смещение относитель­но равновесного положения и газ поляризу­ется. Помимо электронов в ионосфере со­держатся ионы и нейтральные молекулы, совершающие беспорядочное тепловое дви­жение. Сталкиваясь с тяжелыми частицами, электроны передают им энергию, получен­ную от электромагнитной волны. При столк­новениях эта энергия переходит в энергию теплового  движения  тяжелых   частиц,  что и приводит  к   поглощению    радиоволн    в ионизированном газе.

Диэлектрическая     проницаемость      и удельная  проводимость  ионизированного газа   определяются   выражениями

где  — масса электрона (9,109  10-31кг); е — заряд электрона       (1,6010-19 Кл);  — чис­ло соударений электрона с тяжелыми час­тицами, происходящее в 1 с, определяемое тепловым движением частиц; Nэ — элек­тронная плотность, см-3.

    Для высоких частот, когда 2>> 2, можно пренебречь величиной 2 по сравне­нию с 2. Тогда выражения для  c учётом подстановки в них числовых значений e,  , , можно за­писать:

                                                 (4.1)                

                                                                            (4.2)

     Используя частоту электромагнитной волны (кГц) формулу для e удобно записать в таком виде:

                                                     (4.3)           

     Это основная расчетная формула для оп­ределения относительной диэлектрической проницаемости ионизированного газа. Оче­видно, что при значительной электронной плотности диэлектрическая проницаемость газа может оказаться равной нулю.

    Частота , при которой выполняется условие e = 0,

                                                                       (4.4)

называется собственной  частотой  ионизированного  газа  или часто­той Ленгмюра и является параметром ионизированного газа, удобным для оценки условий  распространения  радиоволн.

     Выражение (4.3) можно переписать иначе, пользуясь понятием собственной час­тоты ионизированного газа:

                                                                                             (4.5)

     При  <  относительная диэлектриче­ская проницаемость e оказывается меньше нуля. Это значит, что коэффициент прелом­ления  является мнимой величиной. В такой среде электромагнитные колебания  не    распространяются  и  быстро    затухают.

 4.4. Скорость распространения  радиоволн в ионизированном

        газе (плазме)

     Диэлектрическая проницаемость иони­зированного газа меньше единицы и зави­сит от частоты колебаний, поэтому и ско­рость распространения радиоволн в иони­зированном газе зависит от рабочей частоты. Среды, в которых скорость распрост­ранения радиоволн зависит от частоты, на­зываются диспергирующими. В дис­пергирующих средах различают фазовую и групповую скорости распространения радиоволн [2]. Скорость перемещения фронта волны называется фазовой скоростью. Фазовая ско­рость для сред, приближающихся по своим свойствам к диэлектрику, определяется (2.6).  Поэтому для ионизированного газа без учета потерь согласно выражению (4.5)

                                                (4.6)

     Фазовая скорость волны в ионизирован­ном газе больше скорости света в свобод­ном пространстве. Однако скорость рас­пространения сигналов не может быть боль­ше скорости света в свободном простран­стве. Сигналы конечной длительности, содержащие несколько полных периодов колебаний (группа волн), распространяются с групповой скоростью. Гармонические со­ставляющие сигнала в диспергирующей сре­де распространяются с разными фазовыми скоростями, что приводит к искажению сиг­нала.

     Под  групповой   скоростью    понимают  скорость   распространения максимума огибающей сигнала[2]. Групповая скорость связана с фазовой скоростью соотно­шением     для    ионизированного газа

                                                     (4.7)                  

     В случае приближения рабочей частоты к собственной частоте ионизированного га­за (à) групповая скорость уменьшается (à0), а фазовая скорость резко возрас­тает ().

     4.5. Поглощение радиоволн в ионизированном газе (плазме)

     Коэффициент   затухания   радиоволн   в ионизированном газе определяется по (2.2) с подстановкой в нее значений e из  (4.1) и g из (4.2).

    Поглощение радиоволн связано со столкновениями электронов с молекулами и   ионами   и   переходом    электромагнитной энергии  в тепловую энергию движения тя­желых частиц. В этом процессе важно соотношение  между    периодом    электромаг­нитных колебаний    (T=1/ )  и средним вре­менем   между  двумя   соударениями    элек­трона  с  молекулами  или  ионами  . На низких частотах при T> энергия электромагнитной волны передается от электро­на тяжелой частице малыми порциями, при Т< соударения происходят редко в масштабе периода радиоволны. В том и другом случаях  поглощение  мало.    При  T на­ступает явление резонанса между частотой колебаний    электрона  под действием электромагнитного поля и тепловым движением частиц,     причем     поглощение   существенно возрастает. Поэтому частотная зависимость коэффициента поглощения описывается кривой (рис. 4.2), имеющей  максимум в области частоты  , близкой к величине , т. е. наблюдается явление резонанса. В нижних слоях ионосферы   107 1/с и условие = / выполняется для волн длиной около  200  м.   Поэтому  в  диапазоне коротких волн происходит уменьшение поглощения с повышением частоты, а в диапазоне    волн длиннее 200 м поглощение увеличивается с повышением частоты.

Рис. 4.2. Зависимость коэффициента затухания радиоволн в ионизированном газе от частоты при

Nэ  = 105 см-3  и  = 10-3

Рис. 4.3. Схема отражения радиоволн от ионосферы

4.6. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

     Заметная электронная плотность появ­ляется в атмосфере начиная с высоты при­мерно 60 км. Далее электронная плотность ионосферы меняется с высотой над земной поверхностью, а следовательно, и электри­ческие свойства ионосферы неоднородны по высоте.

При распространении радиоволны в не­однородной среде ее траектория искривля­ется. При достаточно большой электронной плотности    искривление    траектории волны может  оказаться   настолько    сильным,  что волна возвратится на поверхность Земли на некотором  расстоянии от места излучения, т.  е.   произойдет  отражение  радиоволны в ионосфере.

     Отражение радиоволн, посланных с по­верхности Земли на ионосферу, происходит не    на    границе   воздух— ионизированный газ, а в толще ионизированного газа. От­ражение может произойти только в той об­ласти ионосферы, где диэлектрическая про­ницаемость убывает с высотой, а следова­тельно, электронная плотность возрастает с высотой, т. е. ниже максимума электрон­ной плотности ионосферного слоя.

     Условие отражения связывает угол падения волны на нижнюю границу ионосферы  с диэлектрической проницаемостью в толще самой ионосферы en  на той высоте, где происходит отражение волн (рис. 4.3):

                                              (4.8)

    Здесь и далее Nэ  — электронная плот­ность, см-3, а частота  в кГц.

    Чем больше значение Nэ, тем при меньших  углах  возможно отражение. Угол  при котором в данных условиях еще воз­можно   отражение,   называют  критиче­ским    углом. 

    Из выражения (4.8) можно определить рабочую частоту  при которой волны от­разятся от ионосферы в случае заданных электронной плотности и угле падения:                 

                                            (4.9)

 Если волна нормально падает на ионо­сферу, то                         

                                   (4.10)

При нормальном падении волны отра­жение происходит на той высоте, где рабо­чая частота равна собственной частоте ионизированного газа и, следовательно,  e=0.  При наклонном падении на этой вы­соте могут отразиться радиоволны с более высокой частотой. Выполняется так называемый закон  секанса, заключаю­щийся в том, что при наклонном падении отражается волна частотой, в sec раз превышающей частоту волны, отражающей­ся при вертикальном падении волны на слой заданной электронной плотности: 

                                                   (4.11)

     Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется условие отражения.

     Максимальная частота, при которой волна отражается в случае вертикального падения на ионосферный слой, называется критической 

частотой  ; отра­жение происходит вблизи максимума иони­зации слоя:

                                    (4.12)

Сферичность Земли ограничивает   мак­симальный угол q (рис. 4.3)

а следовательно, и максимальные частоты радиоволн, которые могут отразиться от ионосферы при данной электронной плотно­сти.

4.7. Влияние постоянного магнитного поля на электрические параметры ионизированного газа (плазмы)

     Ионизированный газ ионосферы нахо­дится в постоянном магнитном поле, напря­женность которого =40 А/м.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9