Что такое ионосфера, ее функции и особенности
Под так называемой ионосферой принято понимать верхнюю часть атмосферы, которая располагается выше 50 километров от поверхности Земли. Данный слой сильно ионизирован, а не представляет собой космический вакуум, как думают некоторые. На самом деле сегодня считается, что «настоящий» космос начинается примерно со ста километров высоты. Так что ионосфера – это еще не космос. Но, разумеется, никакой жизни в данных слоях атмосферы быть не может из-за сильного разряжения.
Отсюда может возникнуть вполне закономерный вопрос: какую роль играет ионосфера в существовании планеты Земля и в жизни человечества вообще?
Состав ионосферы
Как уже упоминалось, ионосфера – это не полная пустота. Более того, здесь существует настоящая смесь газов, находящихся под сильной ионизацией в результате воздействия космических лучей, исходящих от Солнца.
Среди прочих, в наибольшей концентрации здесь находятся следующие газы:
- Кислород
- Азот
- Квазинейтральная плазма
Стоит также отметить, что степень ионизации данного слоя атмосферы увеличивается с возрастанием высоты, начиная с отметки в 60 километров. Прежде существовала теория относительно неизменности состава ионосферы, однако последние научные исследования показали, что содержание ионов и электронов в каждой единице объема может постоянно изменяться – в зависимости от тех или иных условий, включая даже время года и время суток.
Потому, хоть ионосферу и принято сегодня условно разделять на три слоя – D, E и F – данные слои не обозначены четкими границами.
Слои ионосферы
Так называемый слой D – это самый первый слой ионосферы. Он начинается примерно с 50 – 60 километров и заканчивается на высоте 90 километров. В данном случае на степень ионизации газа сказывается главным образом рентгеновское излучение, которое исходит от нашей звезды – Солнца. Кроме того, в небольшой степени ионизации данного слоя способствуют космические лучи, а также метеориты. Любопытно, что для данного слоя характерно снижение показателей по ионизации в ночное время суток.
Далее идет слой Е. Его границы располагаются примерно на высоте от 90 до 120 километров. Характерная особенность данного слоя – повышенная плотность плазмы. Здесь в качестве основного источника ионизации выступает коротковолновая солнечная радиация. Потому не приходится удивляться тому, что днем можно наблюдать повышение концентрации электронов. Ночью же напротив – эта концентрация существенно снижается. Поскольку в Е-слое наблюдается крайне высокая концентрация свободных носителей, этот слой играет существенную роль в распределении средневолновых и коротковолновых излучений.
Примечательно также, что вплоть до следующего слоя – слоя F – наблюдается постепенный рост температуры среды и концентрации электронов. Ближе к верхним частям F-слоя температура перестает расти, а концентрация электронов при этом постепенно снижается. В открытом же космосе данные показатели резко падают и доходят до своего возможного минимума в межпланетном пространстве.
Третий слой ионосферы – F слой. Он находится примерно на высоте от 120 до 140 километров. При этом максимум ионов приходится на высоту от 150 до 200 км. Через диффузию, образовавшаяся здесь плазма переносится вверх. По этой причине самая большая концентрация ионов и электроном наблюдается примерно на высотах от 250 до 400 километров. До 1 000 км можно наблюдать самую большую концентрацию так называемых легких ионов кислорода. С увеличением же высоты происходит повышение концентрации ионов водорода, а в небольшой концентрации можно наблюдать ионы гелия.
Данный слой также может отражать радиоволны, что дает возможность, в свою очередь, передавать через слой F коротковолновые радиосигналы на максимально большие расстояния. Если речь идет о волнах с частотой менее 10 МГц, то стабильность их передачи не будет зависеть от солнечной активности.
Формирование северного сияния
Многим наверняка известно, что именно в ионосфере формируется красивейшее явление природы – так называемое северное сияние. Так как ионосфера не препятствует прохождению ультрафиолетовых лучей (более того, она сама является результатом действия этих лучей), то они способствуют возникновению всевозможных сияний. В том числе, и самого знаменитого – северного. Происходит бомбардировка заряженными частицами верхних слоев ионосферы, в результате чего и возникает характерное красивое свечение.
Однако северное сияние отнюдь не является главным. Некоторые виды сияний начинают формироваться в результате очень сложного возмущения электромагнитного поля Земли. Происходит это нередко перед землетрясениями. Поэтому ученые пристально следят за такими видами сияний с целью прогнозирования подобного рода катастроф.
Значение ионосферы
Важно, что ионосфера задерживает различные виды ультрафиолетового излучения, которое могло бы нанести вред живым организмам на планете. Остаточное ультрафиолетовое излучение не приносит ущерба ни человеку, ни животным. Таким образом, ионосфера – важнейшее условие для поддержания жизни на планете Земля.
Ионосфера, как уже упоминалось, является средой для распространения некоторых видов радиоволн. Таким образом, она дополнительно служит и радиосвязи на длинные расстояния.
Считается, что именно в ионосфере происходит формирование электромагнитных бурь, которые могут оказывать влияние на самочувствие метеозависимых людей. Происходит изменение самочувствия у них как раз из-за воздействия на атмосферу Земли солнечных вспышек. Стопроцентного научного подтверждения данное явление пока еще не получило. Но медики указывают на статистические данные, которые однозначно показывают зависимость между ухудшением самочувствия людей и формированием магнитных бурь, вспышками на Солнце.
Исследование ионосферы Земли – сегодня одна из важнейших научных задач. И дело здесь не только в необходимости проведения фундаментальных исследования, но и в сугубо практических целях. Ведь ионосфера способствует распространению радиоизлучения, потому исследование физики космической плазмы, исследование нестационарных и неоднородных структур высокоширотных слоев ионосферы служат и ряду исключительно практических задач. К примеру, корректное применение спутниковых навигационных систем и обеспечение стабильной связи и навигации в Арктике.
Надо сказать, что исследования эти начались далеко не вчера. Более того, за открытие слоя F несколько десятилетий назад была вручена Нобелевская премия.
Сегодня все в мире понимают необходимость проведения исследовательских работ в области изучения ионосферы, поэтому государствами выделяются крупные денежные суммы на данные нужды.
Существует даже версия того, что, оказывая воздействие на ионосферу, можно ни больше, ни меньше, а управлять погодой и стихийными бедствиями. Однако стопроцентно научного подтверждения данная точка зрения также пока не нашла.
Однако не подлежит сомнению то, что ионосфера является важнейшей материей, без которой не только невозможны многие привычные нам виды радиосвязи, но и вообще жизнь на Земле.