wo

Рис. 7.15. Зависимость длины свободного пробега нейтральных частиц и длины свободного пробега электронов от высоты

1000

Рис. 7.16. Залисимость длин свободного пробега нейтральных частиц Л и электронов

от высоты

§ 8. БАЛАНС ИОНИЗАЦИИ В ИОНОСФЕРЕ

Многочисленные опыты позволили установить, что основным ионизующим агентом атмосферы является излучение Солнца в ультрафиолетовой и частично рентгеновской частях его спектра, главным образом в диапазоне X да 50-1000 А. При этом большую роль в ионизации области D играет

также очень интенсивная линия спектра Солнца Н/ 1215,7 А, поток излучения которой достигает нескольких эргов.

Поскольку плотность атмосферы с высотой убывает, а падающее извне в атмосферу излучение Солнца, ионизуя ее, убывает с уменьшением высоты,

(42,6° С, 71,53; [445, 477, 852-854]). Авторы этих работ отмечают, что их данные не выявляют определенной сезонной зависимости Тж Т.; в течение дня значения температуры весьма устойчивы.

Следует заметить, что до высот z да 120-150 км температуры электронов Tg, ионов и нейтра-льных частиц Т , по-видимому, примерно одинаковы. Имеются, правда, некоторые указания, что даже в области D наблюдались сильные и быстрые вариации электронной температуры. Однако эти данные нельзя считать определенными. Их трудно объяснить, и они здесь не приводятся.

На высотах z 150-200 км начинает существенно отличаться от и, естественно, от У; выше z 300-400 км температура ионов начинает заметно превышать температуру нейтральных частиц. Поэтому приведенные в табл. 7.6 и 7.7 данные о вариации Т следует рассматривать от высот Z да120-~150 км до высот z да 800-1000 кл1 как пределы, в которых изменяются средние температуры Т, Т- и Т, причем верхний предел, естественно, ближе относится к Т, а нижний - к Т. Выше z да 1000 км в различных опытах в основном определялась электронная температура, и в табл. 7.7 Т ~ Т,.

Данные табл. 7.6 и 7.7 также показывают, что за счет большого вклада столкновений электронов с ионалш, которые становятся намного больше числа столкновений с нейтральными частицами при z да 300 км, темп убывания эффективного числа столкновений с высотой замедляется. Поэтому и длина свободного пробега электронов в этой области высот меньше длины пробега нейтральных частиц или ионов, так что при z да 500 км значение примерно в 200 раз меньше \ (рис. 7.15 и 7.16).

Длина свободного пробега электронов медленно растет с высотой: при Z да 300, 500 и 1000 да 0,07, 0,33 и 8 км, тогда как да 1,61 и 7700 км\

Не исключено, что в некоторой переходной области при z да 150-300 км высотный ход эффективного числа столкновений при некоторых условиях имеет минимум. Таким образом, радиоволны во внешней ионосфере еще заметно поглощаются; это поглощение должно быть ощутимым при приеме сигналов от удаленных источников (радиоизлучение Солнца, сигналы ИСЗ и т. п.). Не исключено также, что минимум -ц приводит к образованию в ионосфере своеобразного канала наиболее б-лагоприятного распространения радиоволн, и именно появление такого канала, возможно, объясняет благоприятные случаи распространения коротких радиоволн вокруг Земли, появление кругосветного эхо и т. п. Возможно, что мед-ленный рост длин свободного пробега электронов и их малость по сравнению с Л может благотворно сказаться па появлении нестационарных явлений типа описанных в работе [74]. Эти явления характерны своеобразным гистерезисным изменением температуры плазмы под влиянием внешних электрических полей, что может служить одним из источников возбуждения мелкомасштабной неоднородности ионосферы.

то на некоторой высоте степень ионизации должна быть максимальной. Это приводит к появлению но крайней мере одного максимума электронной концентрации N. Имея далее в виду, что атмосфера состоит из разных газов, ионизуемых различными участками солнечного спектра, следует считать возможным появление нескольких максимумов N. Однако в реальных условиях картина значительно сложнее.

В формировании ионосферы участвует множество явлений, их роль существенным образом изменяется с высотой, поэтому характер протекания общего процесса баланса ионизации многообразен и указанным выше образом объясняется образование максимума ионизации в области Е. Главный максимум ионизации NF2 в значительной мере регулируется уже переносом зарядов - вертикальной диффузией плазмы, скорость которой возрастает с высотой, тогда как скорость нейтрализации зарядов с высотой уменьшается. Ниже кратко рассматриваются процессы образования и нейтрализации заряженных частиц и приводится ряд исходных характеризующих их данных, а также некоторые результаты изучения этих явлений, в частности, при радиоисследованиях ионосферы. Вопросы переноса зарядов - динамики плазмы здесь не рассматриваются.

1. Фотоионпзация

Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца происходит фотоионизация атмосферы, т. е. процесс, при котором из нейтральной частицы выбивается свободный электрон, так что

X + b = X+-fe,

(8.1)

где X - частица (молекула, атом, ион) любого газа, входящего в состав атмосферы (плюс означает положительный ион); hv - количество энергии, необходимое для одного акта ионизации; /г =6,62 10 эрг-сек - постоянная Планка; v - частота падающего излучения.

Если происходит двукратная или многократная ионизация, то в результате соответствующей реакции частица Х переходит в Х* , X*** и т. д.

В табл. 8.1 приводятся энергии ионизации e.hv основных газов атмосферы, выраженные через потенциал ионизации в электрон-вольтах (1 36=1,59-10орг) и длинах волн в ангстремах (1 А 12 395 эв).

Таблица 8.1 Потенциалы ионизации основных компонент ионосферы

Из табл. 8.1 видно, что наиболее эффективный участок ультрафиолетового излучения Солнца, ионизующего атмосферу, лежит в области 1300- 800 А и ниже.

Количество вновь образуемых пар ионизованных частиц (электроны и положительные ионы) в 1 см/сек, обозначаемое через /, очевидно, зависит от количества энергии, поглощаемой единицей объема газа. Рассматривая

13 я. л. Лйьперт