Ионосфера

Плотность атмосферных газов быстро убывает с высотой (см. Атмосфера). В то же время с подъемом становится интенсивнее ультрафиолетовая часть солнечного спектоа. Это коротковолновое излучение способно ионизовать атомы и молекулы. Образующиеся при этом электроны и ионы начинают двигаться независимо. Конечно, в среднем разноименные заряды притягиваются друг к другу и рекомбинируют, т. е. воссоединяются (см. рис.). Однако при малой концентрации ионов им требуется большое время, чтобы встретиться с ионом противоположного знака или с электроном. За это время (часы и даже сутки) солнечное излучение успевает образовать много новых ионов. В результате на каждой высоте создается некоторая концентрация электронов и ионов. Она, разумеется, зависит и от времени суток, ведь ночью ионы только рекомбинируют.

С удалением от земной поверхности концентрация электронов сперва возрастает (увеличивается ионизирующее воздействие солнечного света), а на больших высотах падает (поскольку общая плотность атмосферы убывает). Так возникает область повышенной электронной концентрации, а следовательно, и ионной — в целом среда остается электронейтральной. Ее и называют ионосферой.

Ионосфера, по-видимому, характерна для атмосфер большинства планет, по крайней мере она была обнаружена и у Венеры, и у Марса, и у Юпитера. Ионосфера Земли состоит из нескольких слоев. Нижний слой обозначается буквой D; днем он располагается на высоте 90 км, а ночью исчезает. Слой Е на высоте 110 км остается и ночью, но концентрация электронов в нем в ночное время уменьшается более чем в 20 раз. Наконец, на высотах в 200 и 300 км располагаются слои F₁ и F₂. В них электронная концентрация самая большая, днем число электронов в 1 см³ достигает двух миллионов.

Существование ионосферы было обнаружено еще в те времена, когда не существовало высотных ракет и не было возможности непосредственно измерить концентрацию ионов. Ионосфера была открыта по отражению от нее радиоволн. В 1895 г. русский физик и изобретатель А. С. Попов передал первую в мире радиограмму. В 1901 г. была осуществлена радиопередача через Атлантический океан. Она оказалась возможной потому, что радиоволны отражаются от слоя повышенной плотности электронов и огибают Землю, не уходя в космическое пространство.

Отражение радиоволн существенно зависит от их частоты или от длины волны. А именно от слоя с электронной концентрацией n_e, выраженной в см^-3, отражаются электромагнитные волны с длинами, большими 33 000 м/√n_e. Подставим в эту формулу n_e=2x10⁶см^-3, характерную для слоя F₂. Отсюда следует, что устойчивая радиопередача на большие расстояния возможна на длинах волн, больших 25 м. Посмотрите теперь на шкалу радиоприемника: диапазон коротких волн начинается именно с этой длины волны или с соответствующей ей частоты 12 мГц.

Более короткие радиоволны (метровые и дециметровые) используются для телевидения и УКВ-радиовещания. Их прием возможен в пределах видимости антенны (телевышки). Еще более короткие, сантиметровые электромагнитные волны используются для связи с космическими аппаратами. Они без препятствий проходят сквозь ионосферу.