Ionosféra

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 10. prosince 2021; kontroly vyžadují 16 úprav .

Ionosféra v obecném smyslu - horní vrstva atmosféry planety s vysokou koncentrací volných iontů a elektronů , ionizovaných ultrafialovým a rentgenovým zářením a také kosmickým zářením . Ionty a elektrony ionosféry jsou pod vlivem gravitačních a magnetických polí. Pro planetu Zemi se jedná o horní část atmosféry , skládající se z mezosféry , mezopauzy a termosféry , ionizované především ozářením Slunce [1] [2] .

Ionosféra Země (dále budeme hovořit o ionosféře naší planety) se skládá ze směsi plynu neutrálních atomů a molekul (hlavně dusíku N 2 a kyslíku O 2 ) a kvazineutrálního plazmatu (počet záporně nabitých částic se pouze přibližně rovná počtu kladně nabitých). Stupeň ionizace nabývá na významu již ve výšce 60 kilometrů.

Struktura ionosféry

Na počátku 20. let 20. století sovětský vědec M. V. Shuleikin zjistil, že v ionosféře by měla existovat alespoň dvě lokální maxima elektronové hustoty: jedno ve výšce asi 100 km a druhé ve výšce 200 km. Rozborem výsledků měření intenzity pole vzdálených radiostanic na různých místech zemského povrchu také dospěl k závěru, že v ionosféře jsou nepravidelnosti ve tvaru mraků. V důsledku odrazu rádiových vln od takovýchto oblačných útvarů mohou k anténě přijímacího zařízení přicházet dva nebo více paprsků, při kombinaci je možné buď zesílení, nebo zeslabení (zeslabení) přijímaného signálu. Výsledkem práce M. V. Shuleikina bylo vypracování základu moderní teorie lomu rádiových vln v ionosféře. Jeho práce o vlivu ionosféry na šíření rádiových vln byly dále rozpracovány v následujících studiích L. A. Zhekulina, V. L. Ginzburga a řady dalších vědců. V závislosti na výškovém rozložení koncentrace nabitých částic N se ionosféra dělí na oblasti D , E a F , které se v letním dni a někdy i v narušených časech rozdvojují na dvě vrstvy F1 a F2.

Oblast D

V oblasti D (60–90 km) je koncentrace nabitých částic Nmax ~ 102–103 cm– 3 —  jedná se o oblast slabé ionizace. Hlavní příspěvek k ionizaci této oblasti má rentgenové záření ze Slunce . Malou roli hrají také další slabé zdroje ionizace: meteority hořící ve výškách 60-100 km, kosmické záření a také energetické částice magnetosféry (vnesené do této vrstvy během magnetických bouří ).

Vrstva D se také vyznačuje prudkým poklesem stupně ionizace v noci.

V D -vrstvě bylo nejdůkladněji prostudováno složení klastrových iontů a procesy probíhající za jejich účasti [3] .

Oblast E

Oblast E (90–120 km) se vyznačuje hustotami plazmatu do Nmax ~ 105 cm – 3 . Dělí se na pravidelnou E vrstvu a nepravidelnou, sporadickou. V pravidelné vrstvě E je pozorován nárůst elektronové hustoty během dne, protože hlavním zdrojem ionizace je sluneční krátkovlnné záření, navíc rekombinace iontů v této vrstvě probíhá velmi rychle a v noci může hustota iontů klesnout až na 10 cm– 3 . Proti tomuto procesu působí difúze nábojů z vyšší oblasti F , kde je koncentrace iontů poměrně vysoká, a noční zdroje ionizace (geokorónové záření Slunce, meteory, kosmické záření atd.).

Ve výškách 100-120 km je téměř vždy pozorována ES vrstva , velmi tenká (0,5-1 km), ale hustá, nazývaná sporadická. Charakteristickým rysem této podvrstvy je odraz znějících rádiových vln, což odpovídá neobvykle vysoké koncentraci elektronů pro oblast E (n e ≥ 105 cm – 3 ), které mají významný vliv na šíření středních a dokonce krátkých rádiových vln . odrážející se od této oblasti ionosféry.

Vrstva E hraje díky relativně vysoké koncentraci volných nosičů náboje důležitou roli při šíření středních a krátkých vln. Vrstva E je někdy označována jako " Kennelly  - Heaviside vrstva ".

Oblast F

Oblast F se nyní nazývá celá ionosféra nad 130-140 km. Maximum tvorby iontů je dosahováno ve výškách 150–200 km. Díky difúzi a relativně dlouhé životnosti iontů se však výsledné plazma šíří nahoru a dolů z oblasti maxima. Z tohoto důvodu je maximální koncentrace elektronů a iontů v oblasti F ve výškách 250–400 km.

Ve dne je také pozorován vznik "kroku" v distribuci koncentrace elektronů, způsobený silným slunečním ultrafialovým zářením. Oblast tohoto kroku se nazývá oblast F 1 (150-200 km). Výrazně ovlivňuje šíření krátkých rádiových vln.

Nadložní část vrstvy F se nazývá vrstva F 2 . Zde hustota nabitých částic dosahuje svého maxima , N ~ 105–106 cm – 3 .

Ve vyšších polohách převládají lehčí ionty kyslíku (do výšek 400–1000 km), ještě výše pak ionty vodíku (protony) a v malém množství i atomy helia.

Charakteristickým rysem vrstvy F je, že odráží rádiové vlny v rozsahu krátkých vln na frekvencích od několika megahertzů do 10 megahertzů, což umožňuje přenášet takové rádiové signály na značné vzdálenosti.

Navzdory skutečnosti, že iontové složení vrstvy F závisí na sluneční aktivitě , její schopnost odrážet elektromagnetické vlny s frekvencí menší než 10  MHz je stabilní.

Za objev vrstvy F získal anglický fyzik Edward Victor Appleton v roce 1947 Nobelovu cenu za fyziku .

Modelování ionosféry

Ionosférický model je rozložení hodnot charakteristik plazmatu jako funkce

Pro problémy geofyziky lze stav ionosférického plazmatu popsat čtyřmi hlavními parametry:

Například šíření rádiových vln závisí pouze na rozložení hustoty elektronů.

Obvykle je ionosférickým modelem počítačový program [4] . Může být založen na fyzikálních zákonech, které určují rozložení charakteristik plazmatu ve vesmíru (s přihlédnutím k interakci iontů a elektronů se slunečním zářením, neutrální atmosférou a magnetickým polem Země). Také to může být statistické zprůměrování velkého množství experimentálních informací. Jedním z nejčastěji používaných modelů je model mezinárodní referenční ionosféry (IRI) [5] , který je založen na statistickém zpracování velkého množství měření a je schopen vypočítat čtyři hlavní charakteristiky ionosféry zmíněné výše. Projekt na vytvoření a zlepšení modelu IRI je mezinárodní a je sponzorován organizacemi jako COSPAR [6] a URSI [7] . Hlavní zdroje dat pro model IRI jsou:

Model IRI je každoročně aktualizován, jakmile jsou k dispozici nová experimentální data. Tento model byl také přijat v roce 2009 Mezinárodní organizací pro standardizaci (ISO) jako mezinárodní standard TS16457.

Jednou z účinných metod pro modelování ionosféry je tzv. technika asimilace dat. Podstatou této techniky je korigovat fyzikální model ionosféry pomocí rychle získaných experimentálních dat. Obvyklý model ionosféry, založený na fyzice zkoumaných procesů, nemůže pokrýt celou škálu faktorů ovlivňujících stav plazmatu. Je to dáno tím, že některé veličiny k tomu potřebné se experimentálně obtížně měří (rychlost větru ve výškách termosféry , průchod kosmického záření atmosférou atd.). Navíc i vliv dobře prozkoumaných faktorů, jako je sluneční aktivita , je obtížné předvídat.

V tomto ohledu by model schopný poskytovat vysokou přesnost při popisu distribuce charakteristik plazmatu měl asimilovat experimentální informace o stavu ionosféry v reálném čase. Data, která lze v tomto druhu přístupu použít, musí být dostupná a aktuální a především aktuální. Jedním z nejdůležitějších zdrojů dat, který tyto požadavky splňuje, je síť pozemních přijímačů signálu družicových navigačních systémů GPS a GLONASS . Z údajů o šíření signálu satelitní navigace lze přibližně vypočítat celkový obsah elektronů podél jeho trajektorie. Tato data jsou dostupná a aktualizována v několika archivech, jako je archiv SOPAC [8] . V současné době existuje ve světě několik modelů asimilačního typu. Mezi nimi je model GAIM [9] vyvinutý s finanční podporou amerického ministerstva obrany . V Rusku se vývoj v tomto směru provádí ve federální státní rozpočtové instituci „Centrální aerologická observatoř“ [10] .

Historie výzkumu

V roce 1901 Guglielmo Marconi oznámil, že přijal transatlantický telegrafní rádiový signál pomocí 152metrové antény ve městě St. John 's na ostrově Newfoundland (nyní kanadské území); vysílací stanice byla v Cornwallu , Anglie. Reálnost takové techniky s tehdy dostupným vybavením byla následně vyvrácena, ale Marconiho tvrzení mohlo posloužit jako podnět pro následné teoretické studie. Transatlantické rádiové přenosy se zařízením Marconi, uskutečněné v roce 1902 [11] , jsou považovány za spolehlivá fakta .

Anglický fyzik Oliver Heaviside v roce 1902 navrhl přítomnost ionizované vrstvy v atmosféře. Jeho teorie zahrnovala možnost šíření rádiového signálu kolem Země, navzdory jejímu zakřivení. Nezávisle na Heaviside prováděl experimenty na dálkovém příjmu krátkých vln přes Atlantik mezi Evropou a Amerikou americký elektrotechnik Arthur Kennelly [12] . Navrhli, že někde kolem Země je ionizovaná vrstva atmosféry, která může odrážet rádiové vlny. Říkalo se tomu Heaviside-Kennelyova vrstva a pak ionosféra. Možná to byly předpoklady Heaviside a Kennellyho, spojené se zákonem o záření černého tělesa , odvozeným Maxem Planckem , které přispěly k rychlému rozvoji radioastronomie od roku 1932 (a také sloužily jako výchozí bod pro vytvoření vysokofrekvenčního přijímače). vysílací systémy).

V roce 1926 zavedl skotský fyzik Robert Watson-Watt termín ionosféra v dopise zveřejněném teprve v roce 1969 v časopise Nature :

V roce 1947 byla Edwardu W. Appletonovi udělena Nobelova cena za fyziku za potvrzení existence ionosféry v roce 1927 se zněním „za výzkum fyziky horních vrstev atmosféry, zejména za objev tzv. Appletonovy vrstvy [ 13]

Loyd Berkner jako první poprvé změřil výšku a hustotu ionosféry, což nepochybně přispělo k rozvoji teorie šíření krátkých rádiových vln. Maurice Wilkes a John Ratcliffe zkoumali šíření velmi dlouhých rádiových vln v ionosféře. Vitalij Ginzburg vyvinul teorii šíření elektromagnetických vln v plazmatu, zejména v ionosféře. [čtrnáct]

V roce 1962 byla vypuštěna kanadská družice Alouette-1 ke studiu ionosféry. [15] Po svém úspěchu byly také vyslány Alouette-2 v roce 1965 a dva satelity ISIS [16] v letech 1969 a 1971 k měření a studiu ionosféry.

2019: Ionospheric Connection Explorer (ICON), vypuštěný 11. října 2019 pomocí nosné rakety Pegas .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Ionosféra  / M. G. Deminov // Velká ruská encyklopedie  : [ve 35 svazcích]  / kap. vyd. Yu. S. Osipov . - M  .: Velká ruská encyklopedie, 2004-2017.
  2. ↑ A. B. Struminský. Ionosféra a šíření rádiových vln. Radar. STEALTH. . Přednáška . MIPT . Získáno 26. června 2022. Archivováno z originálu dne 26. března 2022.
  3. ↑ Smirnov B. M. Komplexní ionty. - M. , 1983.
  4. ↑ Denisov A. V., Belyansky M. A. Vlastnosti modelování náhodně nehomogenní ionosféry v problému šíření rádiových vln v blízkozemském prostoru. Archivováno 27. prosince 2021 na Wayback Machine  – článek. — Journal of Instrumentation. - březen 2014. - MDT 537,86 + 533,93
  5. ↑ Model IRI na webu NASA Archivováno 19. ledna 2022 na Wayback Machine 
  6. ↑ Výbor pro výzkum vesmíru (COSPAR) - Hlavní stránka Archivováno 4. srpna 2008 na Wayback Machine 
  7. ↑ Council on the Propagation of Radio Waves International (URSI) – Home Page Archived 15. května 2015 na Wayback Machine 
  8. ↑ Stránka Archiv dat satelitní navigace SOPAC Archivováno 19. ledna 2022 na Wayback Machine  
  9. ↑ Popis modelu GAIM Archivováno 20. ledna 2022 na Wayback Machine 
  10. ↑ Výsledky a popis asimilačního modelu ionosféry federální státní rozpočtové instituce „TsAO“ Ionosphere.ru Archivovaná kopie z 29. ledna 2020 na Wayback Machine
  11. ↑ První zpráva rádia -- Fessenden a Marconi (odkaz není k dispozici) . www.ieee.ca. Staženo 11. ledna 2019. Archivováno z originálu 23. ledna 2009. 
  12. ↑ Legacies IEEE: Arthur E. Kennelly Archivováno 14. dubna 2013 na Wayback Machine 
  13. ↑ Nobelova cena za fyziku: 1947 Archivováno 14. května 2012 na Wayback Machine 
  14. ↑ Nobelova cena za fyziku: 2003 Archivováno 5. července 2006 na Wayback Machine 
  15. ↑ Canadian Space Agency: CSA Alouette Site Archived 18. dubna 2012 na Wayback Machine 
  16. ↑ Satelitní program ISIS archivován 26. března 2022 na Wayback Machine 

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
 Skořápky Země
Externí Model vrstev Země.png
Vnitřní
Kůra
Plášť
Jádro