Ионосфера Земли: основне представления, роль ионосферы в солнечно-земных связях, источники ионизации атмосферы

Министерство образования и  науки Украины

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

КАФЕДРА ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ ГОРОДОВ

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

С дисциплины „Физические аспекты экологии”

По теме «Ионосфера Земли: основне представления, роль ионосферы в солнечно-земных связях, источники ионизации атмосферы.»

Специальность 6.070800 "Экология и охрана окружающей среды"

 

ВЫПОЛНИЛА:                                                                       ПРОВЕРИЛ                                              

Студентка 4 курса                                                               Доцент кафедры ИЭГ   

заочной формы обучения                                                Канд. Физ-мат. наук

группы ЭООС-1                                                                    Галетич И. К.

Дейнеко К.                   

             

 

 

 

 

 

 

Харків - 2013

                                  Содержание

Введение

1. Ионосфера Земли. Источники ионизации.
2. Солнечно-земные связи.

Вывод

Список литературы 

Введение

Ионосферой называется совокупность ионизированных слоев земной атмосферы, начинающаяся с высот порядка 60 км и простирающаяся до высот в десятки тысяч км.

Наблюдения, проведенные при помощи геофизических ракет и спутников, дали массу новой информации, свидетельствующей, что ионизация атмосферы происходит под воздействием солнечной радиации широкого спектра. Основная ее часть (более 90%) сосредоточена в видимой части  спектра. Невидимое коротковолновое  ультрафиолетовое излучение возникает  в солнечной хромосфере, а еще более энергичное рентгеновское излучение приходит от самой внешней атмосферы Солнца – короны.             

Нормальное (среднее) состояние ионосферы  обусловлено постоянным мощным излучением. Регулярные изменения происходят в  нормальной ионосфере под воздействием суточного вращения Земли и сезонных различий угла падения солнечных  лучей в полдень, но происходят также  непредсказуемые и резкие изменения  состояния ионосферы. 

Ионосфера также является неотъемлемой частью в Солнечно-Земных связях.

 

Ионосфера Земли. Источники ионизации.

На высотах более 100 км растет доля легких газов, и на очень больших  высотах преобладают гелий и  водород; многие молекулы диссоциируют на отдельные атомы, которые, ионизуясь под действием жесткого излучения Солнца, образуют ионосферу.

Излучение Солнца ионизирует атомы  и молекулы атмосферы. Степень ионизации  становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно растет с удалением от Земли. На различных  высотах в атмосфере последовательно  происходят процессы диссоциации различных  молекул и последующая ионизация  различных атомов и ионов. В основном это молекулы кислорода О2, азота N2 и их атомы. В зависимости от интенсивности этих процессов различные слои атмосферы, лежащие выше 60-ти километров, называются ионосферными слоями, а их совокупность ионосферой. Нижний слой, ионизация которого несущественна, называют нейтросферой.

Верхней границей Ионосферы является внешняя часть магнитосферы Земли. Ионосфера представляет собой природное образование разреженной слабоионизированной плазмы, находящейся в магнитном поле Земли и обладающей благодаря своей высокой электропроводности специфическими свойствами, определяющими характер распространений в ней радиоволн и различных возмущении.

Ионосферные слои – это области  в атмосфере, в которых достигает  максимального значения концентрация свободных электронов (т.е. их число  в единице объема).            

Максимальная концентрация заряженных частиц в ионосфере достигается на высотах 300 – 400 км. Здесь в дневное время она достигает 106 частиц на см³. Эквивалентная толщина ионосферных слоев ниже этого главного максимума порядка 60 км, а выше него – 220 км. Полное содержание электронов в вертикальном столбе атмосферы Земли с единичной площадью сечения составляет около 3·10 13 частиц/см ². Основные ионосферные слои обозначают D,E, F1, F2 в порядке увеличения высоты.

Основной источник ионизации земной атмосферы – ультрафиолетовое и  рентгеновское излучение Солнца, с длиной волн от 0,8 до 30 ни, возникающее главным образом в солнечной хромосфере и короне. Кроме того, на степень ионизации верхней атмосферы влияют солнечные корпускулярные потоки, возникающие во время вспышек на Солнце, а также космические лучи, действующие во всей толще атмосферы и метеоритные частицы.

К ионизирующим факторам относятся  также: так называемые тихие электрические  разряды у крон высоких деревьев и на вершинах гор, возникающие при  больших значениях напряженности  электрического поля атмосферы; распыление и разбрызгивание воды у горных рек  и водопадов, фонтанов, во время прибоев  у побережья морей и океанов.

Согласно современным представлениям ионосфера состоит из отрицательно заряженных свободных электронов и  положительно заряженных ионов, в основном молекулярного кислорода O⁺ и окиси азота NO⁺ . Ионы и электроны образуются в результате диссоциации молекул и ионизации нейтральных атомов газа солнечным рентгеновским и ультрафиолетовым излучением. Для того чтобы ионизовать атом необходимо сообщить ему энергию ионизации, основным источником которой для ионосферы является ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца.            

Пока газовая оболочка Земли  освещена Солнцем, в ней непрерывно образуются всё новые и новые  электроны, но одновременно часть электронов, сталкиваясь с ионами, рекомбинирует, вновь образуя нейтральные частицы. После захода Солнца образование новых электронов почти прекращается, и число свободных электронов начинает убывать. Чем больше свободных электронов в ионосфере, тем лучше от неё отражаются волны высокой частоты.

На высоте от 50 до 400 км имеется несколько  слоёв или областей повышенной концентрации электронов. Эти области плавно переходят  одна в другую и по-разному влияют на распространение радиоволн КВ диапазона. Верхний слой ионосферы  обозначают буквой F. Здесь наиболее высокая степень ионизации (доля заряженных частиц порядка 10^–4). Она расположена на высоте более 150 км над поверхностью Земли и является основным отражателем высокочастотных радиоволн КВ диапазонов. В летние месяцы область F распадается на два слоя – F1 и F2. Слой F1 может занимать высоты от 200 до 250 км, а слой F2 как бы «плавает» в интервале высот 300 – 400 км. Обычно слой F2 ионизирован значительно сильнее слоя F1. Ночью слой F1 исчезает, а слой F2 остаётся, медленно теряя до 60% степени своей ионизации.  Ниже слоя F на высотах от 90 до 150 км расположен слой E, ионизация которого происходит под воздействием мягкого рентгеновского излучения Солнца. Степень ионизации слоя E ниже, чем слоя F,  днём приём станций низкочастотных КВ диапазонов 31 и 25 м происходит при отражении сигналов от слоя E. Обычно это станции, расположенные на расстоянии 1000 - 1500 км. Ночью в слое E ионизация резко уменьшается, но и в это время она продолжает играть заметную роль в приёме сигналов станций диапазонов 41, 49 и 75 м.            

Самая нижняя область ионосферы  – область D расположена на высотах  между 50 и 90 км. Здесь сравнительно мало свободных электронов. От области D хорошо отражаются длинные и средние  волны.

Проявления солнечной активности.             

На Солнце периодически возникают  мощные извержения плазмы  и электромагнитного коротковолнового излучения. В периоды высокой активности видимая яркость некоторых областей на Солнце возрастает в несколько раз, а в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне мощность увеличивается в десятки раз. Такие явления называются солнечными вспышками. Они продолжаются от нескольких минут до одного-двух часов

Корпускулярное излучение активного  Солнца.

Во время вспышки извергается  солнечная плазма, состоящая в  основном  из протонов, электронов, и других элементарных частиц, которые устремляются в космическое пространство. Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца от вспышек оказывает сильное воздействие на все слои атмосферы Земли.

 

 

Солнечно-земные связи.

Солнечно-земные связи - система прямых или опосредованных физ. связей между гелио- и геофизическими процессами. Земля получает от Солнца не только свет и тепло, обеспечивающие необходимый уровень освещенности и ср. температуру ее поверхности, но и подвергается комбинированному воздействию УФ - и рентгеновского излучения, солнечного ветра, солнечных космических лучей. Вариации мощности этих факторов при изменении уровня солнечной активности вызывают цепочку взаимосвязанных явлений в межпланетном пространстве, в магнитосфере, ионосфере, нейтральной атмосфере, биосфере, гидросфере и, возможно, литосфере Земли.

Изучение  этих явлений и составляет суть проблемы Солнечно-Земных связей. Строго говоря, Земля оказывает некоторое обратное (по крайней мере, гравитационное) воздействие на Солнце, однако оно ничтожно мало, так что обычно рассматривают только воздействие солнечной активности на Землю. Это воздействие сводится либо к переносу от Солнца к Земле энергии, выделяющейся в нестационарных процессах на Солнце (энергетический аспект Солнечно-Земных связей), либо к перераспределению уже накопленной энергии в магнитосфере, ионосфере и нейтральной атмосфере Земли (информационный аспект). Перераспределение энергии может происходить либо плавно (ритмичные колебания геофизических параметров), либо скачкообразно (триггерный механизм).

Представления о Солнечно-Земных связях складывались постепенно, на основе отдельных догадок и открытий. Так, в конце 19 в. В.О. Биркелан впервые высказал предположение, что Солнце кроме волнового излучения испускает также и частицы. В 1915 г. А.Л. Чижевский обратил внимание на циклическую связь между развитием некоторых эпидемий и пятнообразовательной деятельностью Солнца. Синхронность многих гелио- и геофизических явлений (а также форма кометных хвостов) наводила на мысль, что в межпланетном пространстве имеется агент, передающий солнечные возмущения Земле. Этим агентом оказался солнечный ветер, существование которого было доказано в начале 1960-х гг. путем прямых измерений с помощью АМС. Открытие солнечного ветра вместе с накопленными о др. проявлениях солнечной активности послужило основой для исследования физики Солнечно-Земных связей.

Последовательность событий в  системе Солнце-Земля можно проследить, наблюдая цепочку явлений, сопровождающих мощную вспышку на Солнце - высшее проявление солнечной активности. Последствия вспышки начинают сказываться в околоземном пространстве почти одновременно с событиями на Солнце (время распространения электромагнитных волн от Солнца до Земли чуть больше 8 мин). В частности, УФ - и рентгеновское излучение вызывают дополнительную ионизацию верхней атмосферы, что приводит к ухудшению (или даже полному прекращению) радиосвязи (эффект Деллинджера) на освещенной стороне Земли.

Обычно мощная вспышка сопровождается испусканием большого количества ускоренных частиц - солнечных космических лучей (СКЛ). Самые энергичные из них (с  энергией E_K > 10⁸-10⁹ эВ) начинают приходить к Земле спустя > 10 мин после максимума вспышки в линии  . Повышенный поток СКЛ с E_K < 10⁸ эВ у Земли может наблюдаться несколько десятков часов. Вторжение СКЛ в ионосферу полярных широт вызывают дополнительную ионизацию и соответственно ухудшение радиосвязи на коротких волнах. Имеются данные о том, что СКЛ в значит. мере способствуют опустошению озонового слоя Земли (озоносферы). Усиленные потоки СКЛ представляют собой также один из главных источников радиационной опасности для экипажей и оборудования космических кораблей.

Вспышка генерирует мощную ударную  волну и выбрасывает в межпланетное пространство облако плазмы. Двигаясь со скоростью свыше 100 км/с, ударная волна и облако плазмы за 1,5-2 сут достигают Земли и вызывают магнитную бурю, понижение интенсивности галактической космичности. Лучей, усиление полярных сияний, возмущения ионосферы и т.д. Имеются статистические данные о том, что через 2-4 сут после магнитной бури происходит заметная перестройка баричного поля тропосферы. Это приводит к увеличению нестабильности атмосферы, нарушению характера циркуляции воздуха (развитию циклонов и других метеоявлений).

Хотя не все звенья цепочки Солнечно-Земных связей одинаково изучены, в общих чертах картина Солнечно-Земных связей представляется качественно ясной. Количественное исследование этой сложной проблемы с плохо известными (или вообще неизвестными) начальными и граничными условиями затруднено из-за незнания конкретных физ. механизмов, обеспечивающих передачу энергии между отдельными звеньями.

Новым методом исследования Солнечно-Земных связей являются активные эксперименты в магнитосфере и ионосфере по моделированию эффектов, вызываемых солнечной активностью. Для диагностики состояния магнитосферы и ионосферы используются пучки электронов, облака натрия или бария (выпускаемые с борта ракеты). Для непосредственного воздействия на ионосферу используются радиоволны коротковолнового диапазона. Главное преимущество активных экспериментов - возможность контролировать некоторые начальные условия (параметры пучка электронов, мощность и частоту радиоволн и т.п.). Это позволяет более уверенно судить о физ. процессах на заданной высоте, а вместе с наблюдениями на других высотах - о механизме магнитосферно-ионосферного взаимодействия, об условиях генерации низкочастотных излучений, о механизме Солнечно-Земных связей в целом. Активные эксперименты имеют также и прикладное значение. Доказана возможность искусственный радиационный пояс Земли и вызвать полярные сияния, изменять свойства ионосферы и генерировать низкочастотные излучения над заданным районом.