Ионосфера
Ионосферу можно образно представить себе в виде сферы заряженных частиц, окружающей Землю. Более строго под ионосферой понимают фиксированную область высот в верхней атмосфере, что-нибудь от 50 до нескольких тысяч километров.
Кое-что о структуре
На самом деле никаких четких границ ионосферы (сферы, где имеются ионы, т. е. заряженные частицы) не существует. Некоторое количество заряженных частиц (положительных и отрицательных ионов) имеется даже в приземном слое воздуха. Правда, по происхождению они отличаются от заряженных частиц в собственно ионосфере, они - продукт радиоактивности, как естественной, так в последнее время, увы, и искусственной.
Но начиная со стратосферных высот атмосфера содержит заряженные частицы вполне нормального происхождения, они - порождение космических лучей. Их концентрация на высотах 20 - 30 км, согласно ракетным измерениям, может достигать и даже превосходить тысячу ионов на кубический сантиметр, что ничуть не меньше, чем количество заряженных частиц в области D ионосферы. И все же область высот ниже 50 км практически никогда не относят к ионосфере. Почему?
Потому что исторически под ионосферой понимали область атмосферы, влияющую на распространение радиоволн. Именно благодаря этому влиянию ионосфера и была открыта, именно наземные методы распространения радиоволн и служили источником информации об ионосфере в первые десятилетия ее изучения.
Для распространения радиоволн важна не просто концентрация заряженных частиц в единице объема. Важно, какие это частицы. Ни положительные, ни отрицательные ионы на распространение радиоволн практически не влияют (мы не говорим сейчас о специальных случаях вроде некогерентного рассеяния или свистящих атмосфериков). Все влияние на распространение определяется электронами, которые в силу своей малой массы относительно легко взаимодействуют с полем волны. Таким образом, с точки зрения радиофизики ионосфера кончается там, где "исчезает (или становится пренебрежимо мала) концентрация свободных электронов.
В верхней атмосфере, ниже примерно 80 км, количество свободных электронов быстро падает с уменьшением высоты из-за очень активных процессов прилипания этих электронов к нейтральным частицам. В результате на высоте около 50 км концентрация электронов становится уже настолько мала (скажем, не более 10 электронов на кубический сантиметр), что она практически неощутима методами распространения радиоволн. С точки зрения радиофизики, это и есть нижняя граница ионосферы. Ну а с точки зрения аэрономии? С точки зрения аэрономии - это неправильно. Заряженные частицы на высоте 30 или 40 км ничуть "не хуже" таких же частиц на высотах 60 - 70 км. Почему же последние относятся к ионосферной физике, а первые - нет? И все же бытует исторически более ранняя концепция распространения радиоволн. Ионосфера начинается на высотах 50 - 60 км, где появляются заметные концентрации электронов. Нам остается лишь принимать эту концепцию, а на высотах 20 - 40 км... На этих высотах рассматривать ионы просто как малые составляющие, входящие в компетенцию физикохимии мезосферы и стратосферы.
Итак, начиная с этой принятой нами нижней границы, давайте, двигаясь вверх, посмотрим, как устроена земная ионосфера, из каких частиц, и в каком количестве, она состоит, как ведет себя в пространстве и во времени. Но прежде сделаем еще одно отступление по поводу терминологии "слоев" и "областей".
Когда на первых ионограммах обнаружили, что отражение радиоволн происходит от фиксированных высот, решили, что на этих высотах располагаются слои заряженных частиц, которые и действуют как своего рода электронные зеркала на радиоволны. Слои эти обозначим снизу вверх заглавными буквами латинского алфавита: D, Е и F. Позднее выяснилось, что слой F довольно часто дает два отражения от разных высот, поэтому ввели стратификацию: слой F1 и слой F2.
Первые же ракетные измерения показали, что никаких сколь-нибудь выраженных слоев в ионосфере не существует. Имеется единый монотонный профиль изменения концентрации электронов с высотой, на котором (на высотах 250 - 300 км) виден один основной максимум, который и отождествляется со слоем F2. Остальные отражения, наблюдаемые на ионограммах, происходят не от реальных слоев, а от областей в ионосфере (или точек на высотном профиле [е]), где выполняются определенные условия на величину и градиент электронной концентрации.
Поскольку, однако, к этому времени стало понятно, что разным слоям (или просто разным высотам) соответствует разная физика, отказавшись от буквального понятия "слой", заменили его понятием "область". Стали говорить об области D (60 - 90 км), области Е (90 - 130 км), области F1 (170 - 200 км) и области F2 (200 - 400 км). Несколько раз заходил разговор о существовании области (слоя) С на высотах 50 - 60 км, где некоторые методы измерения [е] дают пик электронной концентрации. Однако широкого распространения концепция слоя С не получила.
Хотя выражение "область" и вытеснило в основном термин "слой", последний иногда используется в литературе (особенно чтобы избежать повторения часто встречающегося слова "область"), но, конечно, лишь как синоним слова "область", а не в своем буквальном значении.
Где сколько электронов
Итак, двигаясь вверх от нашей условной границы 50 км и игнорируя существование проблематического слоя С, мы оказываемся в области D. Это самая тяжелая для исследования часть ионосферы. Почему? Об этом мы поговорим в главе, посвященной области D. Сейчас отметим главное. Область D - единственная область ионосферы, где "уживаются" три типа заряженных частиц: положительные и отрицательные ионы и электроны. Ниже, как мы отмечали, практически нет электронов - они все присоединились к нейтральным частицам и образовали отрицательные ионы. Выше (в области Е) совсем нет отрицательных ионов. Плотность нейтрального газа здесь недостаточна для эффективного прилипания электронов к нейтралам.
Значит, именно в области D происходит "смена власти". Царство отрицательных ионов сменяется царством электронов. Поскольку процесс непрерывный, обязательно где-то есть высота Ар, где концентрации электронов и отрицательных ионов равны. Точное значение hр пока не известно, равно как плохо известны и величины отношения количества отрицательных ионов к количеству электронов ([Х-]/[е] = λ) ниже hр. Считается, что hр≈75 км днем в спокойных условиях. Ночью высота hр должна возрастать, а во время сильных возмущений (вспышка, полярное сияние) - падать. Поскольку в силу так называемой квазинейтральности ионосферной плазмы всегда количества положительно и отрицательно заряженных частиц в единице объема равны:
Формула положительно и отрицательно заряженных частиц в единице объема
мы можем полагать выше hр [Х+]≈[е] и ниже hр [X+]≈[X-].
Рисунок дает пример распределения заряженных частиц в области D для нормального спокойного дня и двух крайних случаев - спокойной ночи и возмущенного дня. Иллюстрируя все сказанное об изменении соотношения между [е] и [Х-], рисунок дает в то же время представление о том, как сильно могут изменяться абсолютные концентрации всех заряженных частиц и прежде всего интересующей нас электронной концентрации.
На самом деле изменчивость электронной концентрации в области D очень велика. Несмотря на технические трудности измерения этой концентрации, известно уже несколько типов вариаций [е] в зависимости от разных геофизических параметров. Чтобы не усложнять наш рассказ, мы не будем останавливаться на этих регулярных вариациях, но посвятим несколько фраз аномальным (возмущенным) условиям в области D.
Больше всего нас будут интересовать три типа возмущений: солнечные вспышки, явления поглощения в полярной шапке и так называемая зимняя аномалия.
Изменчивость электронной концентрации в области D
Первый тип возмущения состоит в резком увеличении концентрации заряженных частиц в области D (иногда в 100 раз и более) непосредственно после вспышки на Солнце. Вызывается такое возмущение, совершенно очевидно, рентгеновским излучением вспышки, которое обычно бывает в сотни и тысячи раз сильнее излучения спокойного Солнца.
Второй тип возмущения также связан с солнечными вспышками, но более косвенным образом. Оно вызывается протонами с энергиями в десятки миллионов электронвольт, вторгающимися в высокоширотную область земной атмосферы (выше примерно 70-й геомагнитной широты - это и есть область полярной шапки) после вспышки на Солнце.
Третий тип возмущения - зимняя аномалия поглощения - состоит, как было установлено относительно недавно, также в довольно сильном увеличении концентрации заряженных частиц на высотах области D. Это увеличение может происходить в 5 - 10 раз, и вызывается оно... Вот, правда, чем оно вызывается, пока достоверно неизвестно. Отмечают лишь, что во время появления зимней аномалии наблюдаются, как правило, различные явления в нижележащих слоях нейтральной атмосферы: стратосферные потепления, смена режимов циркуляции и т. д.
Все три типа возмущений очень характерны для области Z), и их изучение уже дало, как мы увидим в главе 5, много ценного для физики нижней ионосферы. Что касается ионного состава области D, то измерения этого состава еще настолько малочисленны и уникальны, что о них пойдет отдельный подробный разговор. Здесь для общности отметим лишь, что вопрос с химическим отождествлением отрицательных ионов все еще остается открытым, хотя несколько первых измерений их состава и было сделано. С положительными ионами дело обстоит несколько лучше: мы знаем, что в области D наблюдаются в основном положительные ионы-связки (Н3O+, Н5O+, NO+×H2O и т. д.) и обычные ионы NO+ и O2+. Соотношение между этими двумя типами ионов сильно меняется в зависимости от условий, что дает нам ключ к пониманию физики ряда процессов (см. главу 5). Заканчивая рассказ о структуре области D, остается добавить, что в ней всегда, по современным представлениям, температура электронов равна температуре нейтральных частиц.
Переходя теперь к вышележащим областям ионосферы, мы имеем одно несомненное преимущество. Нам больше не 'нужно беспокоиться о распределении разных заряженных частиц (как это было в области D). Все, что нас интересует, это профиль электронной концентрации, ибо он выше 90 км всегда тождествен профилю суммарной концентрации положительных ионов.
На рисунке схематически показаны два таких профиля - для дневных и ночных условий. Если мы будем двигаться вверх от высоты 90 км вдоль дневного профиля, величина [е] будет довольно быстро (иногда на порядок величины) возрастать до высоты примерно ПО км, где темп увеличения [е] с высотой резко замедляется. Эта точка перегиба на профиле электронной концентрации и фиксируется на ионограммах как дневной слой Е. Концентрация электронов здесь обычно составляет (3÷-:10) 104 см-3.
Двигаясь дальше вверх, мы наблюдаем постепенное увеличение [е] вплоть до максимума области F2, где [е] обычно составляет около 106 см-3. Где-то в области высот 180 - 200 км темп изменения электронной концентрации меняется: относительно слабое возрастание [е] между областями Е и F (130 - 180км) сменяется более быстрым ростом в основании области F2 (более 200 км). Если это изменение темпа выражено достаточно хорошо, соответствующая точка перегиба проявляется на монограмме, и мы говорим, что появился слой F1.
Изменчивость электронной концентрации
Ночью картина несколько отлична. Концентрация в максимуме области Е оказывается в 10 - 100 раз меньше, чем днем. Уменьшение [е] между областями Е и F1 происходит еще сильнее, поэтому ночью иногда максимум области Е может выглядеть как реальный слой с падением [е] выше и ниже максимума. На профиле [е] на высотах 100 - 170 км появляется сильная изрезанность, причем перепады концентрации между соседними максимумами и минимумами могут достигать фактора 3 - 4. Иногда (особенно часто это случается в ночное время) в области Е может появляться узкий (с полушириной порядка нескольких километров) слой электронной концентрации (на нашем рисунке он показан пунктиром) с максимальной величиной [е], в 3 - 5 и даже в 10 раз превышающей концентрацию на соседних высотах. Это так называемый спорадический слой Е, обычно обозначаемый как Еs. Он хорошо виден на монограммах вертикального зондирования ионосферы.
Изрезанность ночного профиля электронной концентрации в области высот 100 - 170 км и появление спорадического слоя Es говорят (как увидим в главе 4) о сильном влиянии динамических процессов на ночную ионосферу.
В области F2, как видно на рисунке, концентрация электронов также сильно уменьшается ночью, при этом повышается и высота максимума [е].
Намереваясь двинуться, в нашем рассказе о профиле [е], дальше вверх, выше максимума области F2, мы неизбежно наталкиваемся на вопрос: а до каких пор дальше? Где верхняя граница ионосферы?
Вопрос этот не имеет общепринятого решения. В качестве верхней границы ионосферы рассматривают иногда высоту, где сравниваются концентрации ионов кислорода и водорода. Это происходит в зависимости от условий на высотах 600 - 1000 км. Область, лежащую выше, называют тогда протоносферой. Иногда границей ионосферы считают область, где столкновения между частицами становятся несущественными и ионы и электроны начинают "жить" по законам бесстолкновительной плазмы. В этом случае ионосфера переходит прямо в плазмосферу. Наконец, иногда, чисто условно, в качестве верхней границы ионосферы берут высоту (≈1000 км), где сравниваются концентрации нейтральных и заряженных частиц. Тот факт, что вопрос о верхней границе ионосферы окончательно не решен, является лучшим доказательством того, что он и не очень важен и носит скорее терминологический характер. Говоря "ионосфера", все обычно имеют в виду ту область верхней атмосферы, которая наиболее важна для практических целей, т. е. оказывает наибольшее влияние на распространение радиоволн. Это высоты от 50 до 400 - 500 км. Именно этим интервалом высот ограничим свое рассмотрение и мы.
Как много разных ионов...
Следующим важным параметром после электронной концентрации является ионный состав. Ведь если все электроны одинаковы, то ионов наблюдается много и разных. И они сильно различаются по массе, химическим свойствам, даже размерам. Вопрос о том, из каких именно ионов состоит ионосфера на данном уровне, имеет, как мы увидим, очень большое значение для аэрономии.
В области Е ионосфера состоит целиком из ионов NO+ и O2+ (см. рисунок). Днем эти ионы представлены на высотах 100-130 км примерно в равных количествах ([NO+]/[0+]≈1). Ночью доля ионов NO+ возрастает и отношение [NO+]/[0+] может достигать 5-8.
Картина изменения ионного состава в области Е была бы очень простой и понятной, если бы время от времени там не появлялись так называемые метеорные ионы. Здесь нам придется сделать небольшое отступление и рассказать об этом интересном явлении в верхней атмосфере.
Изменения ионного состава в области Е
В ряде масс-спектрометрических экспериментов (впервые это сделал советский ученый В. Г. Истомин в 1961 году) были обнаружены наряду с обычными азотно-кислородными ионами также неожиданные для атмосферы ионы: Na+, Fe+, К+, Ca+, Mg+, A1+, Si+ и т. д. Большинство из них- ионы металлов, поэтому их так и стали называть ионами металлов или металлическими ионами. Но среди них есть и кремний - неметалл, поэтому такое название не совсем точно. Предполагая, что эти ионы появляются в результате испарения в верхней атмосфере микрометеоров, их стали называть метеорными ионами- название также не совсем точное, поскольку метеорная природа этих ионов окончательно не доказана и обсуждаются и другие источники их происхождения. За неимением лучшего мы будем пользоваться этим последним названием, помня, однако, о его некой условности.
Метеорные ионы
Метеорные ионы появляются обычно на профилях распределения ионных концентраций в виде узких слоев с полушириной в несколько километров или даже сотни метров и с очень большим градиентом концентрации от максимума к краям слоя. Как правило, концентрация этих ионов примерно на порядок меньше, чем концентрация основных ионов N0+ и 0+ (такой случай изображен на рисунке внизу). При этом метеорные ионы практически не влияют на профиль электронной концентрации. Однако наблюдаются ситуации, когда концентрация этих ионов в максимуме сравнима с концентрацией ионов 0+ и N0+ в окрестностях слоя или даже превышает ее (см. рисунок на стр. 34). В этом случае метеорные ионы влияют на основные ионосферные характеристики двояко. Во-первых, появляется пик на профиле электронной концентрации, соответствующий пику метеорных ионов. Во-вторых, внутри узкого слоя этих ионов резко уменьшаются (часто ниже границы чувствительности масс-спектрометра) концентрации обычных ионов 0+ и N0+.
Наблюдения концентрации этих ионов
Хотя слои метеорных ионов регистрировались примерно в двух десятках масс-спектро-метрических экспериментов, закономерность их появления все еще плохо понятна. Известно лишь, что чаще всего эти слои появляются в двух высотных интервалах: 92 - 93 и 105 - 110 км. Однако регистрировались такие слои и на других высотах, практически во всей области от 80 до 140 км. Другая особенность этих слоев - одновременное появление нескольких различных ионов (скажем, Mg+, Fe+, Na+) внутри одного слоя. При этом относительная концентрация метеорных ионов может быть различна - в одних случаях в слое доминирует Fe+, в других - Mg+, а иногда слой может состоять, скажем, практически из ионов Na+ с небольшой добавкой К+, Са+ или других ионов. В целом, чаще в таких слоях встречаются, ионы магния и железа.
Относительная концентрация метеорных ионов
Что касается физикохимии метеорных ионов, то она все еще известна очень плохо. Единственное, что представляется несомненным - это роль механизма ветрового сдвига (см. главу 4, о ночной ионизации выше 100 км) в формировании узких слоев указанных ионов и связь их с появлением спорадического слоя Es.
Но вернемся к описанию "нормального" ионного состава. Двигаясь вверх от области Е, мы обнаружим, что относительное количество (т. е. доля [NO+]/[e] и [0+]/[е] ионов N0+ и 0+ начинает уменьшаться. Их вытесняют ионы атомного кислорода, которые уверенно регистрируются с высот 130 - 140 км. Относительная концентрация ионов 0+ быстро возрастает с высотой и уже на высотах 170 - 190 км днем количество ионов 0+, с одной стороны, и NO+ и О2+ - с другой, оказывается равным. Выше безраздельно доминируют ионы 0+ и ионосфера становится практически чисто атомной. Однако ионы N0+ и О+ прослеживаются масс-спектрометром до больших высот - в максимуме области F2 их концентрация составляет около 1% общей концентрации ионов. И это, как мы увидим, очень важно. Ведь молекулярные ионы очень активные участники процесса рекомбинации. Даже в таких малых относительных количествах они все еще играют первую скрипку в рекомбинаций в слое F2.
Почти одновременно с ионами О+ на масс-спектрах начинают появляться ионы атомного и молекулярного азота (N+ и N2+). Ионы N+ ведут себя как младший партнер ионов атомного кислорода - высотный профиль N+ довольно точно повторяет профиль ионов О+, однако концентрация составляет около 10% от [О+]. Ионы N+ образуют в ионосфере типичный слой с максимумом на высотах 180 - 220 км, причем эти ионы всегда остаются малой ионной компонентой - их относительная концентрация обычно не превосходит 10 - 15 %.
Коонцентрация ионов О+
Выше максимума области F2 к безраздельно господствующим там ионам О+ начинают примешиваться ионы гелия, а потом и водорода. Ионы гелия не в силах составить достойной конкуренции ионам 0+ и так и остаются малой ионной компонентой, достигая максимальной относительной концентрации 10-20% на высотах 500 - 600 км. А вот относительная концентрация ионов водорода неуклонно растет с высотой и наступает момент (точнее, высота), где концентрации Н+ и 0+ сравниваются. Выше доминируют ионы Н+. Это и есть протоносфера.
Ночью изменение ионного состава с высотой происходит в принципе так же, с той лишь разницей, что смена режима от молекулярных ионов к 0+ происходит на больших высотах. Ионы N+ и N2+, как правило, ночью не регистрируются.
Концентрация ионов
Все, что мы рассказали здесь об изменении ионного состава с высотой, отображено на двух рисунках на стр. 35 (для дня и ночи соответственно). На этих рисунках показано относительное содержание всех рассмотренных ионов, причем ширина области, занятой данным ионом на данной высоте, равна его относительной концентрации в процентах. Например, на высоте 200 км днем [0+]/[е] = 45 %; [N+]/M = 5% ; [N2+ ]/[е] =10%; [NO+]/[e]=20 % и[О2+]/[е] = 20%.
Какова температура электронов
Мы уже говорили о температуре верхней атмосферы. Говорили об ее изменении и о связанном с ним делении атмосферы на области. Но при этом всюду шла речь о температуре нейтральных частиц Тн.
Возникает вопрос: будут ли заряженные частицы в ионосфере иметь ту же температуру, что и нейтральные атомы и молекулы окружающего газа? Вопрос этот, далеко не простой, вызвал в свое время много дискуссий, а некоторые частные проблемы не решены до конца и по сей день.
На вопрос о том, отличается ли температура ионов Ти от температуры нейтралов Тн, сегодня следует ответить отрицательно. Нет, достаточно тяжелые ионы не успевают получить необходимого избытка энергии, чтобы их температура повысилась заметным образом, поэтому считают (в пределах современных точностей), что Ти=Тн.
Другое дело легкие частицы - электроны. Они (как и ионы) получают избыток кинетической энергии в самом акте своего рождения. И этот избыток приводит к тому, что электроны оказываются горячее окружающего их нейтрального газа. Сколь велика разница Те - Тн, зависит от того, насколько быстро происходит "охлаждение" электронов в столкновениях с нейтралами. Чем выше плотность атмосферы, тем чаще столкновения и тем труднее электрону удержать свой избыток энергии, тем меньше будет Те - Тн.
Именно поэтому в области D, где плотность нейтральных частиц велика, электронная температура никогда не отличается заметным образом от нейтральной. В то же время в области F температура электронов днем в 1,5 - 2 раза выше, чем температура нейтралов, и может достигать 3000 С. Ночью разница Те - Ти существенно уменьшается, ню все же на высотах области F2 может составлять несколько сот градусов.
Острее всего стоит сейчас вопрос о дневных Те в области Е и непосредственно над ней. Зондовые измерения дают превышение Те над Тн уже на 100 - 110 км, и соответственно дневные Те на 110 - 150 км равны примерно 600- 1000 К (при Тн в пределах 300 - 600 К. В то же время измерения с земли методом некогерентного рассеяния не обнаруживают никакой разницы между температурами электронов и нейтралов на этих высотах. При измерениях этим методом Те начинает превышать Тн только с высоты 150 - 160 км. Явное противоречие налицо. Вот и попробуйте построить эмпирическую модель электронной температуры!
Методом некогерентного рассеяния
Оба метода (и зондовый, и некогерентного рассеяния) имеют, конечно, свои трудности и недостатки. Но даже с учетом этих трудностей пока не удается привести результаты различных измерений Те в области Е к одному знаменателю. Чем больше проводится проверок и уточнений, тем прочнее стоят сторонники каждого метода на своих позициях. А разница остается. И это тем более удивительно, что на больших высотах никаких систематических расхождений эти два метода не дают. Ну а на высотах 110 - 150 км каждый выбирает ту электронную температуру (по зондовым или наземным измерениям), которая ему больше нравится... Как в среднем изменяется температура электронов с высотой в ионосфере днем и ночью, показано на рисунке.
Сейчас активно изучается вопрос о вариациях электронной температуры. Уже ясно, что Те выше, скажем, 160 км (не будем пока касаться скользкой области высот 100 - 150 км) испытывает сильные вариации в течение суток. Точнее говоря, электронная температура, видимо, тесно связана с зенитным углом Солнца. Это и понятно, поскольку поглощение коротковолнового излучения Солнца является основным источником нагрева ионосферной плазмы.
Другие вариации Те не так хорошо установлены и не так понятны. Похоже, что электронная температура на данной высоте при сходных условиях будет тем выше, чем выше солнечная активность (скажем, число Вольфа), и тем ниже, чем сильнее магнитное возмущение (чем больше, скажем, магнитный Криндекс). Однако надежных количественных данных пока нет.