Ionosfera

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Visinska ovisnost temperature plina i koncentracije slobodnih elektrona.
Struktura atmosfere

Jonosfera , u opštem smislu, je sloj atmosfere planete, visoko jonizovan usled zračenja kosmičkim zracima . Za planetu Zemlju, ovo je gornji dio atmosfere , koji se sastoji od mezosfere , mezopauze i termosfere , jonizirane uglavnom sunčevim zračenjem.

Zemljina jonosfera (u nastavku ćemo govoriti o jonosferi naše planete) sastoji se od mješavine plina neutralnih atoma i molekula (uglavnom dušika N 2 i kisika O 2 ) i kvazineutralne plazme (broj negativno nabijenih čestica je samo približno jednak broju pozitivno nabijenih). Stepen jonizacije postaje značajan već na visini od 60 kilometara.

Struktura jonosfere

Jonogram - ovisnost gustine plazme (mjereno na kritičnoj frekvenciji) od visine iznad tla

Početkom 1920-ih, sovjetski naučnik M.V. Shuleikin ustanovio je da jonosfera treba da ima najmanje dva maksimuma elektronske gustine: jedan na visini od oko 100 km, a drugi na visini od 200 km. Analizirajući rezultate mjerenja jačine polja udaljenih radio stanica na različitim tačkama na površini zemlje, došao je i do zaključka da u jonosferi postoje nehomogenosti u obliku oblaka. Kao rezultat refleksije radio talasa od ovakvih formacija oblaka, dva ili više zraka mogu doći do antene prijemnog uređaja, kada se dodaju moguće je pojačanje ili slabljenje (fading) primljenog signala. Rezultat rada MV Shuleikina bio je razvoj osnove za modernu teoriju refrakcije radio talasa u jonosferi. Njegov rad o uticaju jonosfere na širenje radio talasa dalje je razvijen u kasnijim studijama L. A. Zhekulina, V. L. Ginzburga i niza drugih naučnika. U zavisnosti od visinske distribucije koncentracije naelektrisanih čestica N, jonosfera je podeljena na regione D , E i F , koji tokom letnjeg dana, a ponekad iu poremećenim vremenima, bivaju bifurkirani na dva sloja F1 i F2.

Područje D

U oblasti D (60–90 km), koncentracija naelektrisanih čestica je N max ~ 10² –10³ cm –3 – ovo je oblast slabe jonizacije. Glavni doprinos jonizaciji ovog područja daje rendgensko zračenje Sunca. Dodatni slabi izvori jonizacije također igraju malu ulogu: meteoriti koji gore na visinama od 60-100 km, kosmičke zrake i energetske čestice magnetosfere (unesene u ovaj sloj tokom magnetnih oluja ).

Sloj D takođe karakteriše naglo smanjenje stepena jonizacije noću.

U D sloju je najpotpunije istražen sastav klaster jona i procesi koji se odvijaju uz njihovo učešće [1] .

Područje E

Region E (90–120 km) karakteriše gustina plazme do N max ~ 10 5 cm –3 . Dijeli se na pravilni sloj E i nepravilan, sporadičan. U redovnom E sloju, povećanje koncentracije elektrona se uočava danju, jer je glavni izvor ionizacije sunčevo kratkotalasno zračenje, štaviše, rekombinacija jona u ovom sloju se odvija vrlo brzo, a noću se gustina jona povećava. može pasti na 10³ cm −3 . Ovom procesu se suprotstavlja difuzija naelektrisanja iz oblasti F , koja se nalazi iznad, gde je koncentracija jona relativno visoka, i noćni izvori jonizacije (geokoronsko zračenje Sunca, meteori, kosmičke zrake itd.).

Na visinama od 100-120 km gotovo uvijek se uočava sloj E S, vrlo tanak (0,5-1 km), ali gust, koji se naziva sporadičnim. Karakteristika ovog podsloja je refleksija zvučnih radio talasa, što odgovara obično ne visokoj za region E koncentraciji elektrona (n e ≥ 10 5 cm −3 ), koji imaju značajan uticaj na širenje srednjeg, pa čak i kratkog radio talasa. talasi reflektovani od ovog područja jonosfere.

Sloj E , zbog relativno visoke koncentracije slobodnih nosilaca naelektrisanja, igra važnu ulogu u širenju srednjih i kratkih talasa. Sloj E se ponekad naziva i " Kennelly - Heaviside Layer ".

Regija F

F regija se sada naziva čitava jonosfera iznad 130-140 km. Maksimalna proizvodnja jona postiže se na visinama od 150-200 km. Međutim, zahvaljujući difuziji i relativno dugom životnom vijeku jona, rezultirajuća plazma se širi gore-dolje iz područja maksimuma. Zbog toga je maksimalna koncentracija elektrona i jona u F oblasti na visinama od 250-400 km.

Tokom dana se također uočava stvaranje "koraka" u distribuciji koncentracije elektrona, uzrokovanog snažnim sunčevim ultraljubičastim zračenjem. Područje ovog koraka naziva se područje F 1 (150-200 km). Značajno utiče na širenje kratkih radio talasa.

Dio iznad sloja F naziva se sloj F 2 . Ovdje gustina nabijenih čestica dostiže svoj maksimum - N ~ 10 5 -10 6 cm –3 .

Na velikim visinama prevladavaju lakši joni kiseonika (do visina od 400-1000 km), a još više joni vodonika (protoni) i, u malim količinama, joni helija.

Karakteristika F sloja je da reflektuje radio talase u kratkom talasnom opsegu na frekvencijama od nekoliko megaherca do 10 megaherca, što omogućava prenos takvih radio signala na velike udaljenosti. [ izvor nije naveden 2818 dana ]

Uprkos činjenici da jonski sastav F sloja zavisi od sunčeve aktivnosti , njegova sposobnost da reflektuje elektromagnetne talase sa frekvencijom nižom od 10 MHz je stabilna.

Za otkriće F sloja, engleski fizičar Edward Victor Appleton dobio je Nobelovu nagradu za fiziku 1947. godine.

Modeliranje jonosfere

Ionosferski model je raspodjela vrijednosti karakteristika plazme kao funkcije

  • geografska lokacija,
  • visine,
  • dan u godini,
  • kao i solarna i geomagnetna aktivnost.

Za geofizičke probleme, stanje jonosferske plazme može se opisati sa četiri glavna parametra:

  • koncentracija elektronike;
  • elektronska temperatura ;
  • temperatura jona;
  • jonski sastav (zbog prisustva nekoliko vrsta jona).

Širenje radio talasa , na primer, zavisi isključivo od raspodele koncentracije elektrona.

Obično je model jonosfere kompjuterski program [2] . Može se zasnivati ​​na fizičkim zakonima koji određuju distribuciju karakteristika plazme u prostoru (uzimajući u obzir interakciju jona i elektrona sa sunčevim zračenjem, neutralnom atmosferom i magnetnim poljem Zemlje). Takođe, može predstavljati statističko usrednjavanje velike količine eksperimentalnih informacija. Jedan od najčešće korištenih modela je međunarodni referentni model jonosfere (IRI) [3] , izgrađen na statističkoj obradi velikog broja mjerenja i sposoban za izračunavanje četiri glavne karakteristike ionosfere navedene gore. Projekat kreiranja i poboljšanja IRI modela je međunarodni i sponzorisan je od strane organizacija kao što su COSPAR [4] i URSI [5] . Glavni izvori podataka za IRI model su:

  • globalna mreža jonosonde;
  • moćni inkoherentni radari raspršivanja (locirani na Jicamarci, Arecibu, Milestone Hillu, Malvernu i San Santinu);
  • kao i satelitske sonde ISIS i Alouette i
  • mjerenja tačaka sa nekoliko satelita i raketa.

IRI model se ažurira svake godine novim eksperimentalnim podacima. Ovaj model je 2009. godine usvojila i Međunarodna organizacija za standardizaciju (ISO) kao međunarodni standard TS16457.

Jedna od najefikasnijih metoda za modeliranje jonosfere je takozvana tehnika asimilacije podataka. Suština ove tehnike je korekcija fizičkog modela jonosfere uz pomoć brzo dobijenih eksperimentalnih podataka. Uobičajeni model jonosfere, zasnovan na fizici proučavanih procesa, ne može obuhvatiti čitav niz faktora koji utiču na stanje plazme. To je zbog činjenice da je neke od veličina potrebnih za to teško eksperimentalno izmjeriti (brzine vjetra na visinama termosfere , prolazak kosmičkih zraka kroz atmosferu itd.). Osim toga, čak je i utjecaj dobro proučenih faktora, kao što je solarna aktivnost , teško predvidjeti.

U tom smislu, model sposoban da pruži visoku tačnost u opisivanju distribucije karakteristika plazme treba da asimiluje eksperimentalne informacije o stanju jonosfere u realnom vremenu. Podaci koji se mogu koristiti u ovakvom pristupu moraju biti dostupni i ažurni i, prije svega, pravovremeno ažurirani. Jedan od najvažnijih izvora podataka koji ispunjava takve zahtjeve je mreža zemaljskih prijemnika signala satelitskih navigacijskih sistema GPS i GLONASS . Iz podataka o širenju satelitskog navigacionog signala moguće je približno izračunati ukupan sadržaj elektrona duž njegove putanje. Ovi podaci su dostupni i ažurirani u nekoliko arhiva, kao što je, na primjer, SOPAC arhiv [6] . Trenutno u svijetu postoji nekoliko modela asimilacijskog tipa. Među njima je i GAIM model razvijen uz finansiranje američkog Ministarstva odbrane [7] . U Rusiji se razvoj u ovom pravcu odvija u Centralnoj aerološkoj opservatoriji [8] .

Istorija istraživanja

Godine 1901. Guglielmo Marconi je objavio da je primio transatlantski telegrafski radio signal koristeći 152-metarsku antenu u St. John'su na Newfoundlandu (danas Kanada); predajna stanica je bila u Cornwallu , Engleska. Realnost takve tehnike sa tada raspoloživom opremom naknadno je opovrgnuta, ali bi Markonijeva izjava mogla poslužiti kao podsticaj za dalja teorijska istraživanja. Transatlantski radio prijenosi s Marconi opremom izvedeni 1902. godine smatraju se pouzdanim činjenicama [9] .

Engleski fizičar Oliver Hevisajd je 1902. godine sugerisao prisustvo jonizovanog sloja u atmosferi. Njegova teorija je uključivala mogućnost širenja radio signala oko Zemlje uprkos njenoj zakrivljenosti. Nezavisno od Heavisidea, eksperimente na dugom dometu prijema kratkih valova preko Atlantika između Europe i Amerike izveo je američki elektroinženjer Arthur Kennelly [10] . Sugerirali su da negdje oko Zemlje postoji jonizirani sloj atmosfere koji može reflektirati radio valove. Nazvan je Hevisajd - Kenelijev sloj, a zatim ionosfera. Možda je to pretpostavka da su Heaviside i Kennelly, zajedno sa zakonom zračenja apsolutno crnog tijela , koji je izveo Max Planck , doprinijeli brzom razvoju radioastronomije 1932. (i bila je polazna tačka za stvaranje visoko- frekvencijski sistemi, kao što je prijemnik - predajnik).

Godine 1926., škotski fizičar Robert Watson-Watt skovao je termin ionosfera u pismu objavljenom tek 1969. u časopisu Nature :

U posljednje vrijeme termini za opisivanje slojeva atmosfere kao što su 'stratosfera' i 'troposfera' postaju sve više ukorijenjeni u leksikonu naučne zajednice... dobro se uklapaju u ovaj red.

Edward W. Appleton je 1947. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku za potvrđivanje postojanja jonosfere 1927. godine sa formulacijom "Za istraživanje fizike gornje atmosfere, posebno za otkriće takozvanog Appletonovog sloja" [ 11]

Loyd Berkner je prvi put izmjerio visinu i gustinu jonosfere, što je nesumnjivo doprinijelo razvoju teorije širenja kratkih radio talasa. Maurice Wilkes i John Ratcliffe istraživali su širenje veoma dugih radio talasa u jonosferi. Vitalij Ginzburg razvio je teoriju širenja elektromagnetnih talasa u plazmi, posebno u jonosferi. [12]

Godine 1962. lansiran je kanadski satelit Alouette-1 za proučavanje jonosfere. [13] Nakon njegovog uspjeha, Alouette-2 1965. i dva ISIS satelita [14] 1969. i 1971. također su poslani da mjere i proučavaju jonosferu.

2019: Ionospheric Connection Explorer [en] (ICON), lansiran 11. oktobra 2019. pomoću rakete Pegasus .

vidi takođe

Bilješke (uredi)

  1. Smirnov B.M. Kompleksni joni. - M. , 1983.
  2. Denisov A.V., Belyanskiy M.A. Karakteristike modeliranja nasumično nehomogene ionosfere u problemu širenja radio talasa u svemiru blizu Zemlje. - Članak. - Journal of Instrumentation. - Mart 2014. - UDK 537.86 + 533.93
  3. IRI model na NASA web stranici (eng.)
  4. Komitet za svemirska istraživanja (COSPAR) - kućna rezervna kopija od 4. avgusta 2008. na Wayback Machine (eng.)
  5. International Council for Radio Wave Propagation (URSI) - Kućna rezervna kopija od 15. maja 2015. na Wayback Machine (eng.)
  6. Stranica arhive podataka satelitskih navigacionih sistema SOPAC (eng.)
  7. Opis modela GAIM (eng.)
  8. Rezultati i opis modela asimilacije ionosfere FGBU "Centralni administrativni okrug" Ionospher.ru
  9. Prva poruka radija - Fessenden i Markoni . www.ieee.ca. Datum tretmana: 11.01.2019.
  10. IEEE Legacies: Arthur E. Kennelly (eng.)
  11. Nobelove nagrade za fiziku: 1947. (engleski).
  12. Nobelove nagrade za fiziku: 2003 (engleski).
  13. Kanadska svemirska agencija:CSA the Alouette Site (eng.)
  14. od The ISIS the Satellite Program (eng.)

Linkovi