Ионосфера

Поведение главного максимума ионизации, или области F, является очень сложным, оно коренным образом отличается от поведения  областей Е и F1. Так, хотя в среднем электронная концентрация в слое F1 определяется солнечной активностью, но ото дня ко дню она сильно изменяется. Максимум ne в суточном ходе бывает сильно сдвинут относительно полудня, при этом сдвиг зависит от широты, сезона и даже долготы. Сезонной аномалией называется необычное увеличение ne зимой по сравнению с летним сезоном. В экваториальной области до полудня имеется один, а после полудня и ночью — два максимума ne, расположенных на геомагнитных широтах ± 15° (экваториальная или геомагнитная аномалия). В период восхода Солнца оба максимума начинают расходиться, перемещаясь в более высокие широты, и быстро исчезают, в то время как на экваторе образуется новый максимум. На высоких широтах также обнаружено необычное поведение области F и, в частности, образование узкой зоны пониженной ионизации, идущей параллельно зоне полярных сияний, где наблюдается повышенная ионизация. Всё это говорит о том, что, помимо солнечного излучения, изменения ne в области F определяются рядом геофизических факторов. 

Высота главного максимума И. (hmaxF) в средних широтах  Северного полушария изменяется в течение суток сложным образом (рис. 4), глубоко спускаясь утром  и достигая максимума вблизи полуночи. Высота слоя F зимой ниже (кривая I), чем  летом (кривая II), а при высокой  активности Солнца (кривая III) выше, чем  при низкой (кривые I и II). 

В последнее время  была развита новая теория образования  области F, учитывающая действие амбиполярной диффузии, которая объяснила многие особенности области F и в том  числе основную аномалию — образование  максимума nе значительно выше максимума ионообразования, расположенного в области 150 км. Описанные выше вариации высоты слоя F она связывает с изменением в течение дня интенсивности ионизации и температуры атмосферы. Существование слоя F ночью объясняется притоком ионов сверху, из протоносферы, где они накапливаются в течение светлой части дня. Из-за различия механизма образования высота слоя ночью выше, чем днём. 

Многие особенности  в изменении верхней части  И., расположенной над максимумом области F, повторяют суточный ход  и глобальное распределение nе в максимуме слоя. Это говорит о тесной связи этих областей И. Выше максимума области F уменьшение концентрации ионов с высотой происходит по барометрической формуле. При этом с увеличением высоты возрастает доля более лёгких ионов. Поэтому преобладание ионов O+ в области F сменяется днём выше 1000 км преобладанием ионов Н+ (протоносфера). Ночью в связи с понижением температуры протоносфера опускается до высот ~ 600 км. В верхней части И. по направлению к высоким широтам обнаружен рост доли тяжёлых ионов на данной высоте, что аналогичным образом связывается с наблюдаемым ростом температуры. Однако поведение И. в полярных областях пока полностью не объяснено. 

Движения потоков  заряженных частиц в И. приводят к  возникновению турбулентных неоднородностей  электронной концентрации. Причины  их возникновения — флуктуация ионизующего  излучения и непрерывное вторжение  в атмосферу метеоров, образующих ионизированные следы. Движение ионизованных масс и турбулентность И. влияют на распространение радиоволн, вызывая  замирание. 

Изучение И. продолжает развиваться в двух направлениях — с точки зрения её влияния  на распространение радиоволн и  исследования физико-химических процессов, происходящих в ней, что привело  к рождению новой науки — аэрономии. Современная теория позволила объяснить  и распределение ионов с высотой, и эффективный коэффициент рекомбинации. Ставится задача построения единой глобальной динамической модели И. Осуществление такой задачи требует сочетания теоретических и лабораторных исследований с методами непосредственных измерений на ракетах и спутниках и систематических наблюдений И. на сети наземных станций. 

Лит.: Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, М., 1960; Альперт Я. Л., Распространение радиоволн и ионосфера, М., 1960; Данилов А. Д., Химия, атмосфера и космос, Л., 1968; Ратклиф Дж. А., Уикс К., Ионосфера, в сборнике: Физика верхней атмосферы, пер. с англ., М., 1963, с. 339—418; Николе М., Аэрономия, пер. с англ., М., 1964; Исследования верхней атмосферы с помощью ракет и спутников, пер. с англ., М., 1961; Распределение электронной концентрации в ионосфере и экзосфере. Сб. докладов, пер. с англ., М., 1964; Электронная концентрация в ионосфере и экзосфере. Сб. статей, пер. с англ., М., 1966; Распределение электронов в верхней атмосфере, пер. с англ., М., 1969; Данилов А. Д., Химия ионосферы, Л., 1967; Ионосферные процессы, под ред. В. Е. Степанова, Новосиб., 1968; Уиттен Р. К. и Поппов И. Д., Физика нижней ионосферы, пер. с англ., М., 1968; Иванов-Холодный Г. С. и Никольский Г. М., Солнце и ионосфера, М., 1969. 

  Г. С. Иванов-Холодный.