Ионосфера


Ионосфера состоит из нескольких ионизированных слоев, которые являются электрически проводящими. Эти слои существуют на больших высотах в верхней части земной атмосферы. Радиоволны при прохождении через такие проводящие слои изменяют направление распространения. Часть волны проникает сквозь все эти слои и теряется для связи, но в основном ее направление изгибается так, что волна, возвращающаяся на землю, попадает в место, далекое от места излучения. Высота слоев и степень ионизации (т. е. число ионов и электронов в единице объема) определяет расстояние распространения радиоволн и частоты, обеспечивающие лучшую связь. Ионизированные слои обычно находятся на высотах между 50 и 400 км от поверхности земли.
В главе 2 отмечалось, что в газе с очень низким давлением, возможно, выбить один или больше электронов из его молекулы, сделав ее положительно заряженной, т. е. ионом, который может взаимодействовать с электрическим полем. Электроны могут быть выбиты из молекулы не только быстро летящими частицами, но и путем излучений, например, таких как ультрафиолетовые или космические лучи. В высоких слоях атмосферы с низким давлением создаются идеальные условия для процесса ионизации. От солнца непрерывно поступают ультрафиолетовые лучи. Они ионизируют большую часть молекул верхних слоев атмосферы. Считают, что процесс ионизации вызывают также и космические лучи.
Так как атомы, ионы и электроны газа находятся в постоянном движении, часто происходят столкновения этих частиц. Положительный ион, сталкиваясь с электроном, может удержать электрон и нейтрализовать свой заряд. Такой ион вновь станет нейтральной малекулой. Процесс рекомбинации происходит все время. Молекула, однажды ионизированная, не остается в этом состоянии долго. Время рекомбинации зависит от нескольких причин. Прежде всего, от среднего расстояния между частицами газа. Если в данном объеме плотность частиц мала, как это имеет место в верхних разряженных слоях атмосферы, столкновения происходят реже. Частицы воздуха остаются ионизированными длительное время. В нижних частях земной атмосферы столкновения происходят настолько часто, что молекулы воздуха не остаются долго ионизированными. Другая причина относительно низкой ионизации в нижних слоях атмосферы заключается в том, что ультрафиолетовые лучи Солнца поглощаются главным образом в верхних частях атмосферы. В слоях воздуха на высоте 60 км от земной поверхности, ионизация бывает очень слабой. В слоях, находящихся выше 400 км, плотность частиц настолько мала, что ионизация также становится очень малой. Однако на средних высотах имеет место значительная ионизация. Область между 50 и 400 км над земной поверхностью как раз является областью, где существует ионосфера, оказывающая наибольшее влияние на распространение пространственных волн.
Пространственные волны отражаются в ионосфере на различных высотах над землей, в зависимости от частоты и времени. Это показывает, что ионосфера имеет не один, а несколько слоев. Существование нескольких слоев ионосферы связано с тем, что различные газы, из которых состоит атмосфера земли, ионизируются при разных давлениях и, следовательно, на разных высотах от земной поверхности. Кроме того, существуют другие ионизирующие факторы (например, космические лучи), проникающие на различную глубину атмосферы. Число ионизированных слоев, их высота над землей и степень их действия на искривление направления радиоволн зависят от времени суток и времени года. Они меняются также из года в год. Имеется два основных ионосферных слоя, называемых слоями Е и F. Слой Е обычно находится на высоте 110 км, точнее в пределах высот от 90 до 140 км. Другой основной слой является единым целым только в ночное время. Фактически в течение всего дневного времени он разделяется на два слоя. Обозначение слоя F используется только для ночного времени. Две части слоя F, существующие в дневное время, обозначаются F1 и F2, причем слой F1 находится внизу. Слои F, F1 и F2 всегда находятся выше слоя Е. Существует еще один слой D, образующийся только в дневное время на очень малых высотах. Однако его влияние менее существенно, чем влияние других слоев. Поэтому в дальнейшем он не будет рассматриваться. Высоты, на которых образуются различные слои ионосферы, представлены в табл. 9.
Ионосфера