§ 14. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ВНЕШНЕЙ ИОНОСФЕРЫ

Исследования внешней ионосферы, т. е. области высот z > (250-1-400) км, проводятся систематически лишь в последние несколько лет радиомбтодами с помощью высотных ракет и ИСЗ, а также наземными средствами методом когерентного рассеяния радиоволн и по результатам анализа свойств НЧ волн в приземной плазме (см. § 2 и 3). Некоторые результаты этих опытов уже приводились в гл. 1. Свойства внешней ионосферы не изучены еще так же подробно, как свойства областей ионосферы D, Е ж F (см. § 10-13). Однако имеющиеся данные уже позволяют создать определенную картину ее структуры.

Высотные зависимости N Ъ % 2 приводились профили N {z) внешней ионосферы и было показано, что до ее границы, т. е. области высот 20- 25 тыс. км электронная концентрация в среднем убывает монотонно и довольно велика.

Более детальный анализ характера зависимостей N (г) выявляет различные особенности внешней ионосферы и происходящие в ней процессы.

В ряде случаев, наряду с монотоппыми профилями N {z) (рис. 14.1, о), высотные зависимости имеют дополнительные максимумы, расположенные на различных высотах выше zJF2. Эти максимумы N (z), часто не особенно резко выраженные, все же свидетельствуют о сложных процессах баланса ионизации во внешней ионосфере. Вплоть до высот в несколько тысяч километров существенную роль, по-видимому, еще играют такие явления, как перенос зарядов, динамика и дрейф крупномасштабных неоднородных образований, горизонтальные градиенты и др.

Интересно, что высотные профили N (z), построенные для фиксированного зпачения широты в экваториальном районе, где силовые линии магнитного поля горизонтальны, заметно отличаются от профилей N (г) вдоль силовой линии. Такие кривые N (z) приведены на рис. 14.2 15201. Видно, что вдоль магнитной силовой линии профиль JSI {z\~ N {z)L=conat представ.г[ял собой прямую.

Это означает, что приведенная высота вдоль силовой линии L

МОСТИ [558-564]. В последние годы эти эффекты исследовались также на ИСЗ [565, 566].

В области магнитного экватора (ФоЯ:±10°) вероятность появления F, превышает 0,9, т. е. рассеянные сигналы наблюдаются в 90% случаев. Ночью, даже в магнитно-спокойные дни, в области геомагнитных широт Фо±20° рассеяние радиоволн от области F2 нормальное явление. Однако уже вблизи этой границы в интервале широт АФо{30-г40)° наблюдается так называемая нулевая зона F op> здесь редко регистрируются высотно-частотные характеристики со слоем f спор- При Фц > 40° возрастает вероятность появления f спор при Фо > 60° она максимальна. Таким образом, супествуют две зоны высокой активности Рслор - приэкваториальная и полярная. В первой слой преимущественно наблюдается ночью, во второй - круглые сутки, причем ослабляется он несколько после захода и во время восхода Солнца. На широтах Фо < 70° слой Fnop основном наблюдается в ночное время; на средних широтах - в интервале от 18.00 до 08.00 по местному времени.

Рассеяние радиоволн от слоя F чаще происходит в периоды минимума солнечной активности в области широт Фо <С 60°; при Фо >- 60° наблюдается обратная зависимость от солнечной активности.

(r=i?o+z, Rff-радиус Земли) имела постоянное значение. Этот факт, по-видимому, можно объяснить тем, что во внешней ионосфере преобладает амби-полярная диффузия вдоль магнитного поля, и высотное распределение N (z) в приэкваториальной зоне не определяется диффузионным равновесием в вертикальном направлении. Если исходить из этого представления, то только профили Л (z)x=const позволяют более правильно определять молекулярный вес ионов Mf и их температуру Т,

В этих опытах наблюдались также профили N (г)ф =соп81 которые можно аппроксимировать двумя прямыми, т. е. они описывались двумя значениями приведенной высоты, определяемой для постоянного значения широты:

~ ( oNjdz )ф =

=conflt

(14.2)

(Фо - геомагнитная широта).

Получалось, что значения 11 сильно отличаются для z < 700-800 км и Z > 700-800 км. Эти значения указывали явно на переход состава ионосферы от ионов атомарного кислорода к ионам гелия или водорода, что, как известно, было установлено в различных опытах на ИСЗ с помощью масс-спектрометров (см. гл. 2).

В цитированной работе [520] показано также, что днем профили N (z) не имели участков с постоянным значением Н; по-видимому, это связано с менее резким переходом состава ионосферы от ионов кислорода к ионам водорода.

50U0

ZOOO

gZOO

10 10 10 ID 0

Элептронная нонцентрацая N,cm

0,2 0,4 0,6 0,8 Отношение NfNFZ

Рис. 14.1. Высотные зависимости N (z) электронной концентрации во внешней хюно-сфере

ft - профили iV(z), полученные в рсвультате осреднения единичных измерений JV(t) на ИСЗ (I и 2) [324, 32.5], и средний профиль области JV(2)i полученный с помощью ионозондов (5); б - отношение г1жг с максимумами, i - профиль ЛГ (Z), полученный в Перу; 2, 5 -профили iV (г), полученные D Тринидаде с интервалом в 1 чпс [329, 330]; 4 - средний профиль (г) по данным измерений в средних широтах в СССР [324]

18 я. л. Ал1,т1ерт

W.Q а

Электронная концентрация N-idcm

0.5 10

50 10,0 b

Рис. 14.2. Высотные зависимости N{z)

а - над магнитным экватором; ь -вдоль магнитной силовой линии (Сингапур, Ф=1,3° Ю. Х=103. 8*В. 1=-17°) [520]

Таким образом, детальный анализ высотных профилей внешней ионосферы в ряде случаев, по-видимому, позволяет исследовать важные ее свойства (состав, температуру), даже если N (z) аппроксимируется в отдельных участках высот экспоненциальной зависимостью простого слоя

iV(z) exp -().

(14.3)

Однако при этом необходимо рассматривать два вида зависимости (14. 3): строго по вертикали для постоянного значения геомагнитной широты Фо или наклонения магнитного поля Jq и вдоль силовой линии L, когда с изменением высоты изменяются значения Фо и /о- Использование зависимости (14. 3), естественно, предполагает диффузионное и термическое равновесие вдоль линии L=const, равенство Т-Т. и отсутствие градиентов температуры: д11дФо-дТ1дх=0. Тогда для дипольного магнитного поля [см. (3. 74) и рис. 3.151):

JL.-L (14 4)

где приведенная высота вдоль магнитной силовой линии определяется как

(14. 5)

[252, 555].

Широтные и суточные изменения. Во внешней ионосфере, как и в области F2, наблюдается широтный геомагнитный эффект (геомагнитная аномалия). Однако здесь он отличается рядом особенностей, проявляется более четко и позволяет сделать вывод, что свойства внешней ионосферы существенно контролируются магнитным полем.

Широтные зависимости электронной концентрации на фиксированных высотах при определенных условиях в дневные часы имеют минимум в области магнитного экватора и два боковых максимума [520, 521]. Эти максимумы расположены вдоль магнитной силовой линии так, что на различных высотах они соответствуют различным значениям геомагнитной широты; с увеличением высоты эти максимумы сближаются (рис. 14.3).

На высотах, где магнитная силовая линия пересекает магнитный экватор (в вершине геомагнитной аномалии), максимумы сливаются и широтная зависимость электронной концентрации имеет один максимум, симметрично расположенный относительно магнитного экватора. Напомним, что ниже главного максимума ионосферы zFI максимумы на различных высотах не лежат вдоль магнитной силовой линии.