Ионосфера - это что такое? Слои ионосферы

Атмосфера Земли состоит из нескольких частей, имеющих разный состав. Стратосфера, экзосфера, тропосфера, ионосфера и другие слои защищают все живое на планете от жесткого космического излучения. Не все они имеют в своем составе кислород в количестве, достаточном для дыхания. Но каждая выполняет свои функции. Например, ионосфера – это самый верхний слой атмосферы, расположенный выше 50 километров. Он назван так из-за большого количества ионов, образующихся вследствие воздействия солнечной радиации. Именно они задерживают большую часть космического излучения.

Ионосфера: состав

Этот слой атмосферы состоит из смеси газов. Их там очень мало, поэтому говорят об очень разряженном воздухе на такой высоте. Именно поэтому полеты в этом месте невозможны. Больше всего ионосфера Земли содержит нейтральных атомов азота и кислорода. Но основной ее состав – это квазинейтральная плазма, в которой количество положительно заряженных частиц примерно равно количеству отрицательно заряженных. Таких ионов становится все больше с удалением от Земли. Поэтому ионосферу еще иногда называют плазменной оболочкой Земли.

Основной состав ионосферы от 50 до 100 километров выше поверхности Земли - это кислород, азот и натрий. Но после 100 км в ней начинают преобладать водород и гелий.

Объяснение названия

Ионосфера – это слой атмосферы, названный так из-за высокой степени ионизации. Источником ее являются рентгеновские и ультрафиолетовые солнечные лучи. Ионы – это отрицательно заряженные электроны. В ионосфере их концентрация очень велика. На уровень ионов немного влияет магнитосфера Земли. Но количество ионизированных электронов чаще всего увеличивается во время вспышек на Солнце, а также из-за прохождения мимо Земли различных космических тел, например, метеоритных частиц. В ночное время, когда нет солнечного излучения, на уровень ионизации влияют галактические космические лучи.

Вспышки на Солнце приводят к тому, что к Земле направляется поток элементарных частиц – протонов, электронов. Они воздействуют на все слои атмосферы Земли. Но большая часть жесткого излучения задерживается в ионосфере. При этом резко повышается ее ионизация.

Изучение ионосферы

Этот слой атмосферы был обнаружен в начале 20 века учеными Е. Эпплтоном, М. Барнетом, Г. Брейтом и М. Тьювом. Они установили, что на высоте после 50 километров существует слой газов, отражающих радиоволны. За ним начали наблюдать. Было установлено, что ионосфера постоянно разная. Даже в течение дня ее состав и другие характеристики меняются. Разное количество газов также в завсимости от высоты. Поэтому ионосферу поделили на три слоя.

Но полное представление об особенностях этой части атмосферы человечество смогло получить только во второй половине 20 веке. Изучали ее с наземных ионосферных станций. Потом начали исследовать ее изнутри. Сначала ракеты, потом спутники поднялись в верхние слои атмосферы. И люди смогли понять, что такое ионосфера. Состав ее был изучен благодаря применению с ракет масс-спектрометра. Это также позволило измерить другие параметры:

• температуру;
• концентрацию ионов;
• электропроводность;
• источники ионизации;
• особенности жесткого солнечного излучения.

Исследуют ионосферу также с помощью радиометодов - изучения отраженных радиоволн. А в последнее время стали применяться спутники, на борту которых есть станции и зонды, исследующие ионосферу сверху. Это позволило составить представление о ее самом верхнем слое, недоступном для изучения с Земли.

Слои ионосферы

Это часть атмосферы тоже неоднородна. В ней различают три слоя с разной степенью ионизации и плотности газов.

• В самом нижнем слое, простирающемся до 90 километров, ионизация самая низкая. Воздух здесь ионизируется под влиянием магнитных бурь Земли, а также с помощью рентгеновских лучей Солнца. Поэтому в ночное время ионизация здесь еще сильнее снижается.
• Второй слой располагается от 90 до 120 километров. Он характеризуется средней плотностью ионов, которая сильно повышается в дневное время под воздействием солнечного излучения. В этом слое происходит отражение средних и коротких радиоволн. Эту часть ионосферы еще называют слоем Кеннели-Хевисайда, которые впервые изучили его.
• Вся остальная ионосфера выше 130 километров составляет третий слой. Максимальный уровень ионизации здесь наблюдается на высоте около 200 километров. Этот слой дает возможность передавать коротковолновое радиоизлучение на большие расстояния. Открыл этот слой английский физик Эпплтон.

Что такое озоновый слой

Ниже ионосферы расположен озоновый слой. Он защищает Землю от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей и от потери тепла. Ученые доказали, что озон полезен для всего живого. Уменьшение его количества или полное отсутствие негативно отражаются на состоянии здоровья людей. Озоновые дыры, которые были обнаружены в конце 20 века, вызывают повышение числа раковых заболеваний. Некоторые ученые связывают такие процессы не с выбросами газов с поверхности Земли, а с разрушением верхних ионизированных слоев атмосферы, которые стали пропускать вредное ультрафиолетовое излучение.

Влияние ионосферы на радиосвязь

Высокая степень ионизации воздуха в этом слое атмосферы может влиять на радиосвязь. Отрицательно заряженные частицы, хаотично двигаясь, могут менять направление радиоволн и даже поглощать их энергию. В результате этого возникают сильные помехи, временное исчезновение радиосвязи или, наоборот, усиление слишимости дальних радиостанций.

Ученые доказали, что именно ионосфера - это тот слой атмосферы, который делает возможным распространение радиоволн. Так получилось, что благодаря этим радоиволнам и был открыт этот слой в 20-е годы 20 века.

Для более точной передачи радиоволн на дальние расстояния необходимо найти в ионосфере точки преломления, отразившись от которых они попадут именно в то место, в какое нужно. Проблема еще и в том, что часть энергии поглощается отрицательно заряженными ионами. С этим связано такое явление, когда длинные волны быстро затухают в ионосфере, а лучше передаются короткие. Кроме того, радиосвязь ухудшается во время магнитных бурь, при которых ионизация уменьшается.

Разрушение ионосферы

Все знают, для чего Земле нужна атмосфера. Ионосфера же – это ее слой, который защищает остальные слои от жесткого космического излучения. Поэтому очень важно, чтобы ее состав поддерживался на нормальном уровне. Но деятельность человека в последние годы приводит к тому, что этот слой атмосферы начинает разрушаться. Например, при запуске космической лаборатории «Скайлеб» в ионосферу выбрасывается огромное количество водорода.

Другие ракеты-носители не меньше влияют на состав атмосферы. Космический «Шаттл» выбрасывает при сгорании топлива большое количество хлора, оксида углерода, оксида алюминия, водорода. А РН «Энергия» - много оксида азота. Все это активно уничтожает слои ионосферы и приводит к уменьшению количества озона. Остатки топлива уже долгое время накапливаются в верхних слоях атмосферы. Особенно много их содержит стратосфера. Ионосфера же очень чувствительна к изменению своего состава, поэтому ионы быстро разрушаются.

Получается, что при запуске космических аппаратов вдоль всей трассы их полета образуется коридор, так называемая ионосферная дыра. В этом месте космические лучи могут проникать в атмосферу и достигать поверхности Земли, отрицательно воздействуя на все живые организмы.

Северное сияние

Ионосфера - это место, где образуется такое удивительное явление, как северное сияние. Оно возникает под влиянием излучений из космоса. Когда заряженные космические частицы, движущиеся к Земле, входят в верхние слои ионосферы, возникает возмущение ионов, которое снизу воспринимается, как красивое переливающееся свечение. На самом деле этот процесс представляет собой нейтрализацию в ионосфере вихрей заряженных частиц, идущих от Солнца. Если бы не этот слой, "солнечный ветер" погубил бы все живое на Земле.