Ионосфера: между космосом и землёй
Доктор физико-математических наук Сергей Шалимов
Ионосферу обнаружили не так уж давно, около ста лет назад. Хотя само предположение о существовании высокопроводящего атмосферного слоя высказал в 1839 году Карл Фридрих Гаусс.
Ионосферу обнаружили не так уж давно, около ста лет назад. Хотя само предположение о существовании высокопроводящего атмосферного слоя высказал в 1839 году Карл Фридрих Гаусс, экспериментальные доказательства того, что вокруг Земли есть содержащая заряженные частицы оболочка, влияющая на радиосвязь, получили лишь в начале XX века*. Потом целая плеяда физиков занималась формированием современных представлений о структуре этого слоя. Сейчас внимание исследователей сфокусировано на взаимодействии ионосферы с другими геосферными оболочками.Слово — доктору физико-математических наук Сергею Шалимову, заведующему лабораторией физики межгеосферных процессов Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта.
Беседу ведёт Наталия Лескова.
— Сергей Львович, вы занимаетесь исследованиями процессов в ионосфере. Почему важно их изучать?
— Ионосфера — это верхняя часть атмосферы, газовой оболочки Земли. Она ионизована солнечным излучением, то есть помимо нейтральных атомов и молекул там есть электроны и ионы, отсюда и её название. По сути, это плазменная оболочка Земли.
Ионосфера начинается там, где ионизация уже влияет на распространение радиоволн: может происходить их отражение и преломление в плазме, а также рассеяние на неоднородностях электронной плотности. А у нас все коммуникации, вся связь построены на радиоволнах разного диапазона. В частности, через ионосферу проходят сигналы спутников глобальной навигационной системы. Несмотря на то, что частоты этих сигналов достаточно высокие и ионосфера влияет на них не так сильно, тем не менее она вносит свой вклад в распространение сигнала.
Нижняя часть ионосферы — это слабо ионизованная плазма. Если же подняться повыше, то мы обнаружим чисто плазменную оболочку, практически не содержащую нейтральных частиц. Там царят исключительно электроны и ионы, погружённые в геомагнитное поле. Это магнитосфера — магнитная оболочка Земли. Магнитное поле, которое генерируется в жидком ядре планеты, на поверхности близко к дипольному полю, то есть к полю обычного магнита. Представим, что такой магнит находится где-то близко к центру Земли, и тогда получится, что силовые линии магнитного поля выходят из одного полюса и входят в другой. Именно это дипольное поле обеспечивает защиту планеты от корпускулярных потоков солнечного ветра. Магнитная оболочка не даёт солнечному ветру проникнуть в нижние слои атмосферы, он как бы обтекает Землю. Вместе магнитосфера и нижележащая часть ионосферы защищают нас и от солнечной радиации, и от солнечного ветра. Основная часть жёсткой радиации поглощается именно в ионосфере. Это поглощение и приводит к ионизации атомов и молекул, то есть, собственно, и создаёт ионосферу.
— А как же озон, в чём его защитная роль?
— Озон, слой которого располагается в атмосфере ниже ионосферы, поглощает часть ультрафиолета, относительно жёсткую его составляющую. Но по сравнению с ионосферой — это немного.
— Что даёт изучение ионосферы на практике?
— Изучая ионосферу, определяют концентрацию заряженных частиц, получают полное электронное содержание и его вариации. А они говорят о том, какая ионосфера в данный момент над нами. В зависимости от того, что там происходит, мы можем, например, сказать, устойчива связь или нет. Есть примеры, когда неоднородности электронной плотности в ионосфере влияли на устойчивость радиосвязи. Если в верхней ионосфере образовалась дыра с резкими границами (имеется в виду область с пониженной электронной концентрацией), то на этих границах, согласно законам физики плазмы, генерируется плазменная турбулентность, которая приводит к мелкомасштабным неоднородностям электронной плотности — метровым, сантиметровым.И они очень сильно влияют на высокочастотные радиосигналы, рассеивая их. А, скажем, отсутствие связи в критические моменты может приводить и к трагическим последствиям.
— Получается, и в ионосфере бывают дыры. Как часто они возникают?
— Вообще-то они там всегда есть — образуются по тем или иным естественным причинам. К тому же ионосфера выступает как медиатор, посредник между чисто плазменной магнитосферой и нейтральным приповерхностным слоем атмосферы, где ионизация тоже есть, но небольшая. В результате ионосфера испытывает воздействие как сверху, со стороны магнитосферы, так и снизу — из приземной атмосферы, и даже со стороны литосферы, твёрдой оболочки планеты.
Например, мегаполис, такой как Москва, может генерировать внутренние атмосферные волны. Или если есть гора и на неё натекает ветер, то сама гора, обтекаемая ветром, будет источником атмо-сферных внутренних волн. Они пойдут вверх, в ионосферу. Когда такая волна приходит в ионосферу, то при определённых условиях, особенно в низких широтах, она может возбудить плазменную неустойчивость. Как правило, эта неустойчивость приводит к развитию плазменных пузырей. А это и есть те самые ионосферные дыры, у них определённый регулярный ход — сезонный, суточный.
— Вы сказали, что ионосфера испытывает влияние и со стороны литосферы. Как это проявляется?
— Приведу недавний пример. В Тихом океане 15 января 2022 года произошло извержение вулкана Хунга. Поскольку извержение было подводным, возникла волна цунами. Научное сообщество очень внимательно исследовало последствия извержения, было опубликовано много статей в престижных научных журналах. С помощью глобальных навигационных спутниковых систем удалось зарегистрировать возмущения в ионосфере, возникшие после извержения. Правда, авторы многих публикаций интерпретировали эти явления не совсем правильно: утверждали, что после извержения в атмосфере возникла ударная волна (англоязычный термин — shock wave), которая несколько раз обогнула земной шар. Но в действительности это была не ударная волна, а так называемая волна Лэмба. Это своего рода плоская, двумерная волна. Она распространяется в приземном слое атмосферы и может колебать её в интервале от поверхности Земли до тропосферы, 10 или 20 км по высоте. В ионосферу она сама по себе не попадает, как утверждали некоторые исследователи, потому что при распространении вверх её энергия затухает.
Волна Лэмба, как и цунами, обладает интересным свойством. Поскольку такие волны в действительности распространялись по горизонтали со скоростью несколько меньшей скорости звука, они могут генерировать атмосферные внутренние волны, то есть быть источниками атмосферных волн. А вот уже атмосферные внутренние волны имеют вертикальные компоненты скорости, поэтому они достигают ионосферы, где их и регистрируют.
Мы с нашими коллегами из МГУ регистрировали возмущения от таких волн в ионосфере и обнаружили интересное явление. Контролируя трассу распространения сверхдлинных радиоволн между Японией и Камчаткой, мы заметили слишком быстрый приход возмущения, скорость которого не соответствовала ни скорости волны Лэмба, ни тем более цунами. Возмущение было, мы видели это по искажению радиосигнала, но откуда оно взялось?
— Может быть, какая-то ошибка?
— Мы тоже сначала так подумали. Но потом сообразили, откуда эти искажения. Дело в том, что после извержения атмосферный сигнал дошёл до Австралии. Это расстояние меньше, чем, скажем, от места извержения до Японии. Волна Лэмба преодолела это расстояние, породив внутреннюю атмосферную волну. Атмосферная волна, дойдя до ионосферы, пересекла силовые линии геомагнитного поля, после чего произошло естественное событие, которое можно назвать электрификацией атмосферной внутренней волны в ионосферной плазме. Иначе говоря, движения в волне создали в ионосфере электрические поля, связанные с этой волной. Электрические поля вдоль магнитной силовой линии перенеслись в геомагнитно сопряжённую область, которая находится как раз над Японией. А поскольку скорость такого переноса очень большая, эти поля повлияли на плазму и дали ранний сигнал, причём как в верхней, так и в нижней ионосфере.
— Насколько заметна для человека такая волна, разрушительна ли она?
— Волна Лэмба нет, а цунами, естественно, разрушительно и опасно. Больше всего от цунами после извержения пострадало государство Тонга. Пока дошло до Америки, до Японии, цунами ослабло, и обошлось без сильных разрушений.
— Было ли известно, что этот вулкан начнёт извергаться?
— Да, было. Хунга — активный вулкан. В отличие от землетрясений, место, где будет происходить извержение, обычно известно. В случае с землетрясениями место известно лишь приблизительно: как правило, они случаются в так называемых сейсмических поясах Земли. А у вулкана, во всяком случае перед сильным извержением, наблюдают признаки активности. Там, где есть возможность, ставят подводные сейсмометры, которые подсказывают, что активность нарастает.
— Вулканические выбросы могут влиять на ионосферу напрямую, не через атмосферные волны?
— Сначала считали, что вулканическое облако от Хунга достигло высоты в 30 км, то есть стратосферы — для сильных извержений это нормально, но это не ионосфера. В итоге выяснилось, что извержение ещё более сильное, и пылевое вулканическое облако достигло нижней ионосферы, приблизительно 60 км. Нас заинтересовало, что с ним произошло дальше. Дело в том, что вся нижняя ионосфера кипит и бурлит, там турбулентность влияет на перенос любой примеси, которая туда попала. Если туда попала пыль, она начинает распространяться по горизонтали.
И когда мы анализировали данные по одной из трасс сверхдлинных волн от Австралии до Петропавловска-Камчатского, то заметили необычное поведение фазы сигнала. Сверхдлинные волны распространяются в волноводе Земля — ионосфера. Одна стенка волновода — это Земля, а другая стенка — нижняя ионосфера. Длина волны у них порядка 30—100 километров. Передатчик в данном случае стоял в Ав-стралии, а приёмник в Петропавловске-Камчатском.
Мы исследовали вариации сигналов и заметили, что и амплитуды, и фазы волн в какой-то момент повели себя совершенно необычно. Посмотрели, есть ли такого типа вариации за две недели до и после извержения. Оказалось, что нет. Следовательно, можно было считать, что аномалии сигнала обусловлены этим событием. И тут нам пришла в голову идея, что пыль, поскольку она поднялась высоко и распространилась по горизонтали, пересекла трассу и что-то изменила в ионосфере. По фазе сигнала было понятно, что на верхней стенке волновода есть недостаток электронов — грубо говоря, в ионосфере образовалась какая-то электронная дыра. Мы её увидели. Осталось понять, откуда там пыль.
Установить это удалось далеко не сразу. Мы рассматривали ночную ионосферу, поскольку днём все слабые эффекты «забивает» Солнце, и чтобы выделить и заметить возмущения в дневной ионосфере, они должны быть очень сильными. А в ночной ионосфере эффект был чётким. Как мы поняли, попадание пыли в ионосферу приводит к тому, что пыль заряжается, поскольку ионосфера — это плазма. На пылинки натекают потоки электронов и ионов. Но так как электроны более подвижны, то они, можно сказать, побеждают, и пыль заряжается отрицательно.
Мы знаем, что пылинки в ионосфере могут быть размером порядка десятка нанометров. На каждой заряженной пылинке оказывается до нескольких десятков электронных зарядов. Это значит, что часть электронов, которые были в окружающей ионосфере, ушла на эту частицу. То есть в окружающей среде электронов стало меньше и их дефицит привёл к наблюдаемому эффекту.
— А может ли вулканическая пыль быть причиной формирования серебристых облаков?
— В данном случае это пока неизвестно, и надо ждать результатов наблюдений, но энергия вулкана Хунга эквивалентна той, что была в 1883 году при извержении Кракатау. А тогда в атмосферу было выброшено огромное количество пепла и пыли. Видимо, она попала в нижнюю ионосферу, мезосферу, и вскоре после этого было зафиксировано такое явление, как серебристые облака. Вообще говоря, пыль в мезосфере образуется регулярно также при разрушении метеороидов на высотах 80—90 км. И только в мезосфере летом бывает настолько холодно, что температура опускается примерно до 100 К, в результате чего водяные пары, которые там присутствуют, образуют так называемый пересыщенный пар, а частички пыли становятся ядрами конденсации этого пара. На частичках пыли пар конденсируется и замерзает, образуется ледяной аэрозоль. Так вот, аэрозольные частицы заряжаются, и начинают происходить плазменные процессы с их участием, которые пока мало изучены. Есть вопросы и по влиянию атмосферных волн на формирование и динамику серебристых облаков.
— Выходит, что на состояние ионосферы влияют самые разные факторы: и природные, и человеческие...
— Да, и поэтому ионосферу так важно изучать. Тем более, что от ионосферы зависит качество радиосвязи, а это сейчас наш главный вид коммуникаций.
Комментарии к статье
* См. статью «Зачем греют небо. Мифы и правда», «Наука и жизнь» № 8, 2013 г.
Статьи по теме
Читайте в любое время
