не разреженных слоях атмосферы в результате солнечной радиации (ультрафиолетовое, рентгеновское излучение) происходит диссоциация кислорода и азота, т. е. молекулы кислорода и азота при поглощении кванта лучистой энергии (hv) расщепляются на атомы в соответствии с формулами:

Oz + AvO + O; Na + AvN + N,

где V - частота излучения,

/г=6,62 10- дж-сек - постоянная Планка.

Так, на высогах более 120-150 км кислород практически полностью диссоциирован. Диссоциация молекулярного азота начинает-, ся на высоте около 200 км, и на высотах выще 300 км азот практически полностью диссоциирован.

Строение атмосферы Земли

Атмосфера может быть разделена на следующие основные слои: тропосферу, которая содержит около трех четвертей всего вещества атмосферы и имеет верхней границей тропопаузу, лежащую над экватором на уровне 16-18 км, а в умеренных щиротах - на уровне 10-12 км; стратосферу, которая расположена выще тропопаузы вплоть до высот 60-80 км и характеризуется незначительным количеством водяных паров; ионосферу, расположенную выще стратосферы и характеризующуюся наличием огромного числа электрически заряженных частиц - электронов и иоиов, возникающих в результате расщепления (ионизации) нейтральных молекул воздуха.

Ионосфера переходит в радиационные

Рис. 6-9. Схема расположения радиационных поясов Земли. Числа у контуров указывают количество импульсов в секунду, зарегистрированных счетчиком Гейгера (по модели до 1965 г.).

/ - внутренний радиационный пояс; 2 - внешний радиационный пояс; 3 - самый внешний радиационный пояс; 4 - геомагнитный экватор.

пояса Земли. Основными источниками ионизации земной атмосферы являются электромагнитные волны солнечного излучения с

длиной короче 1 340 А (134-10- м), т. е. нижний участок ультрафиолетового поддиапазона и мягкие рентгеновские лучи, име-

ющие длину волны короче 20 А, а также испускаемые с поверхности Солнца потоки заряженных частиц, образующих корпускулярное излучение. Плотность потока солнечного электромагнитного излучения вне земной атмосферы составляет около 1 400 вт/мК Кроме того, в ионизации земной атмосферы участвуют ультрафиолетовые излучения горячих звезд и микрометеоритные потоки (космическая пыль). Огромное число микрометеоритов (до 10 частиц в сутки) размером в основном меньше 20 мк непрерывно вторгается в земную атмосферу с большими скоростями и вызывает ионизацию.

Внешняя часть ионосферы переходит в )5адиационные пояса, открытые в начале 1959 г. и представляющие собой области заряженных частиц (главным образом электронов и протонов).

Согласно имеющимся в настоящее время данным магнитное поле Земли вследствие внешнего давления стационарного солнечного потока электронов и протонов (солнечного ветра) локализовано в ограниченной области околоземного космического пространства. Эта область называется магнитосферой Земли, простирающейся по крайней мере на 60 000 км от центра Земли. Основной гипотезой о происхождении радиационных поясов Земли, получившей экспериментальное подтверждение, является гипотеза о захвате магнитосферой Земли потоков заряженных частиц, вторгающихся в околоземное космическое пространство.

Земля окружена тремя радиационными поясами (рис. 6-9). Внутренний пояс, расположенный в интервале геомагнитных широт ±35 -40°, в плоскости геомагнитного экватора начинается на высоте около 500 км в западном полушарии и 1 600 км - в восточном и распространяется до расстояний порядка 9 000 км в плоскости экватора, причем плотность потока частиц становится максимальной на высоте около 3 800 км. На этой высоте счетчики Гейгера регистрируют около 25000 импульсов в секунду, что соответствует дозе излучения примерно 10 р/ч, если частицами являются электроны, или примерно 100 р/н, если частицами являются протоны. Внутренний пояс состоит в основном из протонов с энергией до 100 Мэе и более и электронов с энергией до 1 Мэв

{зарегистрированы и более энергичные частицы) .

Внешний пояс радиации начинается на расстоянии примерно 13 000 км (в плоскости экватора), простирается до расстояний порядка нескольких радиусов Земли, причем максимальная плотность потока частиц находится на уровне около 16 ООО км (в плоскости экватора). Этот пояс охватывает интервал геомагнитных широт от +55 до -55° С и состоит главным образом из электронов с энергиями от 100 кэв до 3-6 Мэв.

Самый внешний радиационный пояс находится на расстоянии между 55 000 и 75000 км. Его заполняют электроны с энергиями, меньшими энергий электронов внутреннего и внешнего поясов Земли. Однако плотность потока частиц в самом внешнем поясе достаточно высока и достигает 1-2) 10 сж-2.сек-1.

Структура и свойства ионосферы

По представлениям, сложившимся ранее, ионосфера характеризуется существованием нескольких максимумов (слоев) ионизации. На высотах 60-90 км днем существует слой D, исчезающий ночью. Далее расположен слой Е, имеющий максимум концентрации электронов* на высоте 110-130 км. Выше расположен слой F, который летом (днем) расщепляется на два слоя Fi и F. Слой Fi имеет максимум электронной концентрации на высоте порядка 200-230 км, а слой 2 - на высоте порядка 350 кл1. От слоя к слою ионизация увеличивается, достигая максимума в слое Fz.

Данные измерений, полученные в последнее время, не подтверждают существования резко выраженного слоя Е [Л. 27, 28, 33]. В действительности выше максимума концентрации электронов и ионов на высоте 100-120 км расположена область ионосферы со сравнительно плавным переходом (вследствие процессов диффузии) к максимуму электронной концентрации на высоте около 350 км. После этого, по мере дальнейшего увеличения высоты, электронная концентрация сравнительно медленно убывает (рис. 6-10). Таким образом, наряду с некоторыми уступами ионизации существует только один основной максимум ионизации. Однако существующие в течение многих лет представления о строении ионосферы как слоистой среды широко применяются при рассмотрении и объяснении процессов распространения радиоволн. Поэтому пока что нецелесообразно отказываться от принятого разделения ионосферы на слои D, Е и F. Следует только помнить, что такое разделение является условным.

Области ионосферы на уровне слоев D, Е н Fi обладают относительным постоянством, проявляющимся в том, что суточный ход изменения электронной концентрации и

* Концентрация электронов определяется их числом в единице объема, за который обычно принимается 1 смК

10° to 10 ю to to 10 t/cM

Рис. 6-10. Примерная картина распределения электронной концентрации по высоте днем и ночью.

высота расположения уступов сохраняются почти неизменными.

С наступлением темноты из-за быстрой рекомбинации (восстановления молекул) исчезают область слоя D и уступ на уровне слоя f 1. В то же время электронная концентрация области Е сохраняет постоянное значение в течение всей ночи.

В области F2 электронная концентрация и высота расположения максимума претерпевают значительные изменения день ото дня. При этом ионизация различна в летнее и зимнее время. Зимой (в северном полушарии) электронная концентрация в этой области увеличивается. Суточный ход электронной концентрации области 2 зависит также от геомагнитной широты.

Наряду с рассмотренными регулярными областями ионосферы иногда на высоте 95-125 км образуется так называемый спорадический слой Е (слой Es), в котором электронная концентрация в несколько раз-превышает концентрацию области Е. Слой Es в средних широтах чаще образуется днем в летние месяцы. В полярных же районах область слоя Es возникает в основном-в ночное время. Частота появления Ее увеличивается с увеличением геомагнитной широты. Поскольку солнечное излучение является основным источником ионизации атмосферы Земли, то от стационарности активности Солнца зависит и стационарность процессов ионизации.

Замечено, что активность Солнца периодически изменяется и характеризуется среднегодовым относительным числом солнечных пятен. Период изменения солнечной активности составляет около 11 лет (очередной максимум приходится на 1968 г.). Наряду с периодическим изменением солнечной активности имеют место случайные резкие изменения солнечной активности (вспышки), связанные с возникновением в атмосфере Солнца (в хромосфере) грандиозных возмущений, сопровождающихся выбросом из хромосферы больших масс ионизированного водорода. Хромосферные вспышки большой мощности возникают в среднем 2-3 раза в год и приводят к резкому росту ионизации атмосферы Земли,

с ростом солнечной активности число вспышек {больших и малых) увеличивается.

Во время максимальной яркости вспышки испускается интенсивное ультрафиолетовое излучение (наблюдаются также всплески радиоизлучения). Достигая ионосферы, оно вызывает ионосферно-маг-н и т н ы е б у р и, т. е. более или менее резкие изменения интенсивности заряженных частиц в ионосфере и напряженности маг-нитного поля Земли. Подобные бури срав-нительно кратковременны и их распространение ограничивается освещенным полушарием Земли. При этом наблюдаются на-грушения радиосвязи на коротких волнах, обусловленные интенсивной ионизацией слоя D. По истечении некоторого времени (до 6 ч и более) после наблюдения световой вспышки на Солнце в околоземное космическое пространство вторгаются обычно мощные потоки заряженных частиц, главным образом протонов, выбрасываемых из области, окружающей вспышку. Ударное воздействие этих потоков приводит к возмущению магнитного поля Земли, т. е. к магнитной буре. При этом на высоте около 100 км создается дополнительная интенсивная ионизация, приводящая к нарушениям радиосвязи, и возникают полярные сияния. Данные возмущения магнитного поля Земли (и ионосферы) продолжительны, могут существовать иногда в течение нескольких дней и распространяются как на освещен->ное, так и теневое полушарие Земли.

е-а ФИЗИЧЕСКИЕ основы

РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

Прямые и поверхностные волны

На характер распространения радиоволн сильное влияние оказывают земная поверхность, тропосфера и ионосфера. Вследствие этого радиоволны могут распространяться между радиопередающим и радиоприемным устройствами различными путями: прямыми, поверхностными и пространственными волнами (рис. 6-11).

Прямые волны - это радиоволны, рас- пространяющиеся в свободном пространстве по прямолинейной траектории. Радиосвязь с прямыми волнами может наблюдаться в космическом пространстве, за пределами земной атмосферы (за пределами радиа-ционных поясов Земли). В большинстве случаев радиосвязь, в том числе и радиосвязь с космическими объектами, ведется в пределах земной атмосферы, когда радиоволны испытывают некоторое искривление

траектории распространения, рассеиваются и меняют поляризационные характеристики.

Поверхностные волны - это радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от земнойповерхности и частично огибающие ее вследствие дифракции, рефракции (преломления) и рассеяния в тро-

Рис. 6-11. Возможные пути распространения радиоволн.

/ - поверхностная волна; 2 - пространственная волна; 3 - прямая волна; 4 - связь вида Земли - Космос - Земля; 5 - невозвращающаяся к Земле волна.

посфере. Иногда радиоволны, главным образом в диапазоне УКВ, распространяются на расстояния до 1 ООО км из-за действия только рефракции и рассеяния; их называют тропосферными волнами.

Дифракция радиоволн - способность радиоволн огибать препятствия, лежащие на пути распространения. Такими препятствиями являются: выпуклость земного шара, горы, строения и т. п.

Дифракция радиоволн возникает в результате возбуждения радиоволной высокочастотных колебаний на поверхности препятствий. Эти колебания в свою очередь вызывают излучение радиоволн (подобно излучению антенны), возбуждающих соседние участки поверхности (принцип Гюйгенса - Френеля). Последовательная совокупность подобных возбуждений приводит к передаче части энергии в область простран- ства, затененную от передаюпей антенны радиостанции. При этом иа нагревание поверхностных участков почвы, воды, материала строений и других объектов уходит некоторая доля энергии. С укорочением длины волны потери энергии растут. Поэтому наиболее существенное значение явление дифракции имеет в диапазонах СВ, ДВ и СДВ.

Потери радиочастотной энергии в сильной степени зависят от длины распростра-

Таблица 6-4