Ionosfääri

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 10. joulukuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 16 muokkausta .

Ionosfääri , yleisessä mielessä -planeetan ilmakehän ylempi kerros, jossa on suuri pitoisuus vapaita ioneja ja elektroneja , ionisoituja ultravioletti- ja röntgensäteillä sekä kosmisilla säteillä . Ionosfäärin ionit ja elektronit ovat gravitaatio- ja magneettikenttien vaikutuksen alaisia. Maaplaneetalla tämä on ilmakehän yläosa , joka koostuu mesosfääristä , mesopausista ja termosfääristä , ja ionisoituu pääasiassa Auringon säteilyn vaikutuksesta [1] [2] .

Maan ionosfääri (jäljempänä puhumme planeettamme ionosfääristä) koostuu neutraalien atomien ja molekyylien (pääasiassa typen N 2 ja happi O 2 ) kaasun ja kvasineutraalin plasman (negatiivisesti varautuneiden hiukkasten lukumäärä ) seoksesta. on vain suunnilleen yhtä suuri kuin positiivisesti varautuneiden määrä). Ionisaatioaste tulee merkittäväksi jo 60 kilometrin korkeudessa.

Ionosfäärin rakenne

Neuvostoliiton tiedemies M. V. Shuleikin totesi 1920-luvun alussa, että ionosfäärissä pitäisi olla vähintään kaksi paikallista elektronitiheysmaksimia: toinen noin 100 km:n korkeudessa ja toinen 200 km:n korkeudessa. Analysoimalla kaukaisten radioasemien kentänvoimakkuuden mittaustuloksia maan pinnan eri kohdissa hän tuli myös siihen tulokseen, että ionosfäärissä on pilven muotoisia epäsäännöllisyyksiä. Tällaisista pilvimuodostelmista radioaaltojen heijastumisen seurauksena vastaanottavan laitteen antenniin voi tulla kaksi tai useampia säteitä, jolloin yhdistetyssä vastaanotetun signaalin vahvistus tai vaimennus (häipyminen) on mahdollista. M. V. Shuleikinin työn tulos oli nykyaikaisen radioaaltojen taittumisteorian perustan kehittäminen ionosfäärissä. Hänen työtään ionosfäärin vaikutuksesta radioaaltojen leviämiseen kehittivät edelleen L. A. Zhekulinin, V. L. Ginzburgin ja useiden muiden tutkijoiden myöhemmissä tutkimuksissa. Varautuneiden hiukkasten N pitoisuuden korkeusjakaumasta riippuen ionosfääri on jaettu alueisiin D , E ja F , jotka kaksihaarautuvat kahteen kerrokseen F1 ja F2 kesäpäivällä ja joskus häiriöaikoina.

Alue D

D - alueella (60–90 km) varautuneiden hiukkasten pitoisuus on Nmax ~ 102–103 cm– 3 –  tämä on heikon ionisoitumisen alue. Pääasiallinen osuus tämän alueen ionisaatiossa on Auringon röntgensäteily . Pieni rooli on myös muilla heikoilla ionisaatiolähteillä: 60-100 km korkeudessa palavat meteoriitit, kosmiset säteet sekä magnetosfäärin energiset hiukkaset (jotka tuodaan tähän kerrokseen magneettisten myrskyjen aikana ).

Kerrokselle D on myös ominaista ionisaatioasteen jyrkkä lasku yöllä.

D - kerroksessa klusteri-ionien koostumusta ja niiden mukana tapahtuvia prosesseja on tutkittu perusteellisemmin [3] .

Alue E

Alueelle E (90–120 km) on ominaista plasman tiheydet aina Nmax ~ 105 cm – 3 asti . Se on jaettu säännölliseen E - kerrokseen ja epäsäännölliseen, satunnaiseen kerrokseen. Säännöllisessä kerroksessa E havaitaan elektronitiheyden kasvua päiväsaikaan, koska pääasiallinen ionisaation lähde on auringon lyhytaaltosäteily, lisäksi ionien rekombinaatio tässä kerroksessa etenee hyvin nopeasti ja yöllä ionitiheys voi pudota 10 cm- 3 . Tätä prosessia vastustavat varausten diffuusio korkeammalta alueelta F , jossa ionien pitoisuus on suhteellisen korkea, ja yölliset ionisaatiolähteet (auringon geokoronasäteily, meteorit, kosmiset säteet jne.).

100-120 km korkeudessa havaitaan lähes aina ES -kerros , joka on erittäin ohut (0,5-1 km), mutta tiheä, jota kutsutaan satunnaiseksi. Tämän alikerroksen ominaisuus on kuuloisten radioaaltojen heijastus, joka vastaa alueella E epätavallisen suurta elektronipitoisuutta (n e ≥ 105 cm – 3 ), joilla on merkittävä vaikutus keskisuurten ja jopa lyhyiden radioaaltojen etenemiseen. heijastuu tältä ionosfäärin alueelta.

E - kerroksella on suhteellisen korkean vapaiden varauksenkuljettajien pitoisuuden vuoksi tärkeä rooli keskipitkien ja lyhyiden aaltojen etenemisessä. Kerrosta E kutsutaan joskus " Kennelly  - Heaviside -kerrokseksi ".

Alue F

Aluetta F kutsutaan nyt koko 130-140 km:n yläpuolella olevaksi ionosfääriksi. Suurin ionin muodostuminen saavutetaan 150-200 km korkeudessa. Kuitenkin diffuusion ja ionien suhteellisen pitkän käyttöiän vuoksi tuloksena oleva plasma etenee ylös ja alas maksimin alueelta. Tästä johtuen elektronien ja ionien maksimipitoisuus F -alueella on 250–400 km:n korkeudella.

Päivällä havaitaan myös "askeleen" muodostuminen elektronipitoisuuden jakautumisessa, jonka aiheuttaa voimakas auringon ultraviolettisäteily. Tämän vaiheen aluetta kutsutaan F 1 -alueeksi (150-200 km). Se vaikuttaa merkittävästi lyhyiden radioaaltojen etenemiseen.

Kerroksen F päällä olevaa osaa kutsutaan kerrokseksi F2 . Täällä varautuneiden hiukkasten tiheys saavuttaa maksiminsa , N ~ 105–106 cm – 3 .

Korkeammilla korkeuksilla hallitsevat kevyemmät happi-ionit (400–1000 km korkeuteen asti) ja vielä korkeammalla vetyionit (protoneja) ja pieninä määrinä heliumatomeja.

F-kerroksen ominaisuus on, että se heijastaa radioaaltoja lyhyellä aaltoalueella muutamasta megahertsistä 10 megahertsiin taajuuksilla, mikä mahdollistaa tällaisten radiosignaalien lähettämisen huomattavia etäisyyksiä.

Huolimatta siitä, että F-kerroksen ionikoostumus riippuu auringon aktiivisuudesta , sen kyky heijastaa sähkömagneettisia aaltoja taajuudella alle 10  MHz on vakaa.

F-kerroksen löytämisestä englantilainen fyysikko Edward Victor Appleton sai fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1947 .

Ionosfäärin mallinnus

Ionosfäärimalli on plasman ominaisuusarvojen jakauma funktiona

Geofysiikan ongelmissa ionosfäärin plasman tilaa voidaan kuvata neljällä pääparametrilla:

Esimerkiksi radioaaltojen eteneminen riippuu yksinomaan elektronitiheysjakaumasta.

Yleensä ionosfäärimalli on tietokoneohjelma [4] . Se voi perustua fysikaalisiin lakeihin, jotka määräävät plasman ominaisuuksien jakautumisen avaruudessa (ottaen huomioon ionien ja elektronien vuorovaikutuksen auringon säteilyn, neutraalin ilmakehän ja Maan magneettikentän kanssa). Se voi myös olla suuren kokeellisen tiedon tilastollinen keskiarvo. Yksi yleisimmin käytetyistä malleista on kansainvälinen vertailuionosfääri (IRI) [5] -malli , joka perustuu suuren määrän mittausten tilastolliseen käsittelyyn ja pystyy laskemaan edellä mainitut neljä ionosfäärin pääominaisuutta. Projekti IRI-mallin luomiseksi ja parantamiseksi on kansainvälinen, ja sitä sponsoroivat sellaiset organisaatiot kuin COSPAR [6] ja URSI [7] . IRI-mallin tärkeimmät tietolähteet ovat:

IRI-mallia päivitetään vuosittain, kun uutta kokeellista tietoa tulee saataville. Kansainvälinen standardointijärjestö (ISO) otti tämän mallin käyttöön vuonna 2009 kansainvälisenä standardina TS16457.

Yksi tehokkaista menetelmistä ionosfäärin mallintamiseen on ns. tiedon assimilaatiotekniikka. Tämän tekniikan ydin on korjata ionosfäärin fyysinen malli nopeasti saadun kokeellisen tiedon avulla. Tavanomainen ionosfäärimalli, joka perustuu tutkittavien prosessien fysiikkaan, ei voi kattaa kaikkia plasman tilaan vaikuttavia tekijöitä. Tämä johtuu siitä, että joitain tähän tarvittavista suureista on vaikea mitata kokeellisesti (tuulen nopeudet termosfäärin korkeuksissa, kosmisten säteiden kulku ilmakehän läpi jne.). Lisäksi jopa hyvin tutkittujen tekijöiden, kuten auringon aktiivisuuden , vaikutusta on vaikea ennustaa.

Tässä suhteessa mallin, joka pystyy tarjoamaan suuren tarkkuuden kuvaamaan plasman ominaisuuksien jakautumista, pitäisi omaksua kokeellista tietoa ionosfäärin tilasta reaaliajassa. Tällaisessa lähestymistavassa käytettävän tiedon on oltava saatavilla ja ajan tasalla ja ennen kaikkea ajan tasalla. Yksi tärkeimmistä tietolähteistä, joka täyttää tällaiset vaatimukset, on GPS- ja GLONASS -satelliittinavigointijärjestelmien maanpäällisten signaalivastaanottimien verkko . Satelliittinavigointisignaalin etenemistä koskevista tiedoista voidaan likimäärin laskea elektronien kokonaissisältö sen liikeradalla. Nämä tiedot ovat saatavilla ja niitä päivitetään useissa arkistoissa, kuten SOPAC [8] -arkistossa . Tällä hetkellä maailmassa on useita assimilaatiotyyppisiä malleja. Yksi niistä on GAIM-malli [9] , joka on kehitetty Yhdysvaltain puolustusministeriön rahoituksella . Venäjällä kehitystä tähän suuntaan toteutetaan liittovaltion budjettilaitoksessa "Central Aerological Observatory" [10] .

Tutkimuksen historia

Vuonna 1901 Guglielmo Marconi ilmoitti vastaanottaneensa transatlanttisen lennätinradiosignaalin 152 metrin antennilla St. John'sin kaupungissa Newfoundlandin saarella (nykyään Kanadan alue); lähetysasema oli Cornwallissa , Englannissa. Tällaisen tekniikan todellisuus tuolloin käytettävissä olevilla laitteilla kumottiin myöhemmin, mutta Marconin lausunto saattoi toimia sysäyksenä myöhemmille teoreettisille tutkimuksille. Vuonna 1902 [11] suoritettuja transatlanttisia radiolähetyksiä Marconi-laitteilla pidetään luotettavina tosiasioina .

Englantilainen fyysikko Oliver Heaviside ehdotti vuonna 1902 ionisoidun kerroksen läsnäoloa ilmakehässä. Hänen teoriansa sisälsi mahdollisuuden radiosignaalin leviämiseen Maan ympäri kaarevuudestaan ​​huolimatta. Heavisidesta riippumatta amerikkalainen sähköinsinööri Arthur Kennelly suoritti pitkän kantaman lyhyiden aaltojen vastaanottokokeita Atlantin yli Euroopan ja Amerikan välillä [12] . He ehdottivat, että jossain maan ympärillä on ionisoitunut ilmakehän kerros, joka voi heijastaa radioaaltoja. Sitä kutsuttiin Heaviside-Kennely-kerrokseksi ja sitten ionosfääriksi. Ehkä juuri Heavisiden ja Kennellyn oletukset yhdistettynä Max Planckin johdettuun mustan kappaleen säteilylakiin vaikuttivat radioastronomian nopeaan kehitykseen vuodesta 1932 lähtien (ja toimi myös lähtökohtana korkeataajuisten vastaanottimien luomiselle). lähetinjärjestelmät).

Vuonna 1926 skotlantilainen fyysikko Robert Watson-Watt loi termin ionosfääri kirjeessään, joka julkaistiin vasta vuonna 1969 Nature -lehdessä :

Vuonna 1947 Edward W. Appleton sai Nobelin fysiikan palkinnon ionosfäärin olemassaolon vahvistamisesta vuonna 1927 sanamuodolla "ylemmän ilmakehän fysiikan tutkimuksestaan, erityisesti niin kutsutun Appleton-kerroksen löytämisestä " [13]

Loyd Berkner oli ensimmäinen, joka mittasi ionosfäärin korkeuden ja tiheyden ensimmäistä kertaa, mikä epäilemättä vaikutti lyhyen radioaallon etenemisen teorian kehitykseen. Maurice Wilkes ja John Ratcliffe tutkivat erittäin pitkien radioaaltojen etenemistä ionosfäärissä. Vitaly Ginzburg kehitti teorian sähkömagneettisten aaltojen leviämisestä plasmassa, erityisesti ionosfäärissä. [neljätoista]

Vuonna 1962 kanadalainen Alouette-1-satelliitti laukaistiin tutkimaan ionosfääriä. [15] Menestyksensä jälkeen Alouette-2 vuonna 1965 ja kaksi ISIS-satelliittia [16] vuosina 1969 ja 1971 lähetettiin myös mittaamaan ja tutkimaan ionosfääriä.

2019: Ionospheric Connection Explorer (ICON), laukaistiin 11. lokakuuta 2019 Pegasin kantoraketilla .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Ionosfääri  / M. G. Deminov // Suuri venäläinen tietosanakirja  : [35 nidettä]  / ch. toim. Yu. S. Osipov . - M .  : Suuri venäläinen tietosanakirja, 2004-2017.
  2. ↑ A. B. Struminsky. Ionosfääri ja radioaaltojen eteneminen. Tutka. VAKAUS. . Luento . MIPT . Haettu 26. kesäkuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 26. maaliskuuta 2022.
  3. ↑ Smirnov B. M. Monimutkaiset ionit. - M. , 1983.
  4. ↑ Denisov A. V., Belyansky M. A. Satunnaisen epähomogeenisen ionosfäärin mallintamisen ominaisuudet radioaaltojen etenemisen ongelmassa lähellä maapalloa. Arkistoitu 27. joulukuuta 2021 Wayback Machinessa  - Artikkeli. — Journal of Instrumentation. - Maaliskuu 2014. - UDC 537,86 + 533,93
  5. ↑ IRI-malli NASAn verkkosivuilla Arkistoitu 19. tammikuuta 2022 Wayback Machinessa 
  6. ↑ Avaruustutkimuskomitea (COSPAR) - Pääsivu Arkistoitu 4. elokuuta 2008 Wayback Machinessa 
  7. ↑ Neuvosto on radioaaltojen leviäminen kansainvälinen (URSI) - Kotisivu arkistoitu 15. toukokuuta 2015 Wayback Machinessa 
  8. ↑ SOPAC - satelliittinavigointitietojen arkiston sivu Arkistoitu 19. tammikuuta 2022 Wayback Machinessa  
  9. ↑ GAIM - mallin kuvaus Arkistoitu 20. tammikuuta 2022 Wayback Machinessa  
  10. ↑ Tulokset ja kuvaus liittovaltion budjettilaitoksen "TsAO" ionosfäärin assimilaatiomallista Ionosphere.ru Arkistoitu kopio 29. tammikuuta 2020 Wayback Machinessa
  11. ↑ Radion ensimmäinen viesti -- Fessenden ja Marconi (linkki ei saatavilla) . www.ieee.ca. Haettu 11. tammikuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 23. tammikuuta 2009. 
  12. ↑ IEEE Legacies: Arthur E. Kennelly Arkistoitu 14. huhtikuuta 2013 Wayback Machinessa 
  13. ↑ Fysiikan Nobelin palkinto: 1947 Arkistoitu 14. toukokuuta 2012 Wayback Machinessa 
  14. ↑ Fysiikan Nobelin palkinto: 2003 Arkistoitu 5. heinäkuuta 2006 Wayback Machinessa 
  15. ↑ Kanadan avaruusjärjestö: CSA Alouette -sivusto arkistoitu 18. huhtikuuta 2012 Wayback Machinessa 
  16. ↑ ISIS-satelliittiohjelma arkistoitu 26. maaliskuuta 2022 Wayback Machinessa 

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
 Maan kuoret
Ulkoinen Maan kerrosten malli.png
Sisäinen
Haukkua
Vaippa
Nucleus