Ионосфера

Четвертое состояние вещества — плазма.
Часть 4. Ионосфера

Поздно вечером вы  включили радиоприемник и настроились на далекую станцию. Слышимость прекрасная, но проходит несколько минут, и станция «исчезает». Вы пытаетесь поймать «ушедшую» волну, но это вам не удается, хотя никаких помех, погода на всей трассе радиосвязи прекрасная. В чем же дело? Оказывается, причина не в станции и не в вашем приемнике — это бушует плазма. Какое отношение имеет к этому плазма? Самое непосредственное.

Но чтобы ответить на него, зададим вопрос: а почему вообще возможна радиосвязь на далекие   расстояния, составляющие многие тысячи километров? Казалось бы, ответ должен быть прост: радиостанция посылает волны во все стороны, в том числе и к вашему радиоприемнику, он и принимает эти волны.

Однако в этом ответе не учтено одно существенное обстоятельство, а именно: радиоволны распространяются по прямым линиям. Земля же, как известно, имеет круглую ферму. Поднимитесь на высокое дерево среди поля; самые далекие точки, которые вы увидите, образуют линию горизонта. Человек, находящийся за горизонтом, не увидит дерева, на котором вы находитесь, даже если он использует самые совершенные приборы. Точно так же радиоприемник, находящийся за горизонтом, не может услышать радиостанцию.

Стремясь отодвинуть линию горизонта, инженеры строят все более высокие антенные башни на радиостанциях, но даже для очень высоких антенн «радиус видимости» составляет лишь немногим больше сотни километров. «Радиус слышимости» по прямой немного больше благодаря тому, что радиоволны слегка огибают земную поверхность и полной «радиотени» за линией горизонта сразу не получается.

Но как же в таком случае удается принимать радиостанции, расположенные за тысячи километров от приемника? Ответ, вероятно, известен читателю: дело в том, что природа поместила над Землей своеобразное «зеркало» шарообразной формы, называемое ионосферой.

Первое интересное свойство этого «зеркала» состоит в том, что оно отражает обратно на Землю падающие на него радиоволны, но, правда, не с любой длиной волн. Так, очень короткие радиоволны, используемые в телевидении, ионосфера почти беспрепятственно пропускает. Поэтому телевизионная связь возможна только с помощью «приземного» луча, иными словами, в пределах прямой видимости антенны передающей телевизионной станции. Кстати, изредка и на короткое время, в результате нарушения «нормальной» деятельности ионосферы она начинает отражать и телевизионные радиоволны. Тогда удается принимать очень далекие телевизионные станции.

Второй интересной особенностью ионосферы является то, что она представляет собой слой довольно разреженной плазмы. Но откуда взялась плазма на такой высоте над Землей?

Вспомним, что при освещении газа рентгеновскими лучами он становится проводником электрического тока: в газе образуются свободные ионы и электроны. Роль, подобную фотонам рентгеновских лучей, могут играть фотоны гамма-лучей, испускаемых радиоактивными веществами, находящимися в земной коре. Действительно, эти фотоны образуют ионы в воздухе. Но это — не настоящая плазма: ионов в ней очень мало, и кроме того, ионизацию-«земные» гамма-лучи могут производить только в самых низких слоях атмосферы.

Но у природы в запасе есть и другие способы создания плазмы из воздуха. Одним из них являются космические лучи — мощные потоки заряженных частиц, приходящих из глубин мирового пространства. Эти частицы несут с собой очень большую энергию и в состоянии разбивать ветретив-шиеся на их пути атомы тазов, которые образуют атмосферу. Проходя через атмосферу, частицы космических лучей постепенно тормозятся и в нижних слоях атмосферы начинают обильно образовывать ионы — это происходит на высоте примерно 16 километров.
Но измерения с отражением радиоволн от ионосферы показали, что она должна располагаться раз в десять выше и, кроме того, что ионосфера не имеет однородного строения, а разбита на несколько слоев. Количество ионосферных слоев и их высота не являются неизменными, а меняются в зависимости от географического положения, времени суток, а также времени года. Наукой твердо установлено, что ответственной за образование ионосферы является кипучая деятельность Солнца.

Солнце посылает во все стороны не только свет и тепло, но также фотоны ультрафиолетовых и рентгеновских лучей и потоки заряженных частиц, о которых мы уже говорили. Последние, хотя и уступают в энергии частицам космических лучей, но превосходят их по интенсивности. На дальних подступах к Земле фотоны и частицы входят в атмосферу. «Эхо сражений» солнечных частиц с частицами земной «брони» доносится к нам в виде полярных сияний. Наиболее энергичным из солнечных фотонов и частиц удается прорваться через первую «линию обороны», и отголоском «сражения» на второй «линии обороны» является появление плазмы — образование ионосферы. Верхние слои ионосферы живут круглые сутки — ионы и электроны в них не успевают воссоединиться за ночь: слишком разрежена там плазма, слишком редко встречаются друг с другом ее частицы.

Атмосфера воистину является броней Земли. На высоте примерно 60 километров находится третья «линия обороны» — так называемый озонный слой.

Попробуйте посидеть под южным солнцем хотя бы час, не подготовив заранее к этому свой организм, и вы не только перегреетесь но и «обгорите», кожа ваша -сильно покраснеет.

А теперь представьте, что с вами случилось бы, просиди вы несколько суток под таким солнцем. Это равносильно пятиминутному пребыванию под солнцем, но без «охраны» озонным слоем. Озоновый слой поглощает основную массу губительных для всего живого на Земле ультрафиолетовых лучей Солнца (напомним, что загар вызывается ультрафиолетовыми лучами Солнца). При этом озонный слой частично превращается в плазму, правда, пока лишь светит Солнце (ночью этот ионосферный слой исчезает).

Чем дальше от Земли, тем разреженнее атмосфера, тем реже попадаются в ней нейтральные атомы, тем ближе плазма к «идеальной», в которой присутствуют одни лишь заряженные частицы.

Иногда спокойная атмосферная плазма как бы «вскипает», ионосферное зеркало покрывается «рябью». Радиоволны перестают отражаться от ионосферы, радиосвязь на огромных земных территориях нарушается, компасные стрелки вертятся во все стороны, указывая куда угодно, только не на север и юг, — иными словами, бушуют магнитные бури, а в северных и южных областях нашей планеты вспыхивают очень длительные и яркие полярные сияния. Это случается в периоды особенно сильных нарушений нормальной солнечной деятельности, когда Солнце выбрасывает в пространство чрезвычайно мощные сгустки заряженных частиц.

Совершенно новое слово в исследование плазмы, окружающей Землю, внесли полеты искусственных спутников Земли и запуски космических и так называемых геофизических ракет. Эти «летающие ла-, боратории» передают на Землю исключительно интересные сведения о состоянии плазмы на больших высотах.

Так, выяснилось, что Земля окружена дополнительными мощными плазменными поясами, имеющими уже не только солнечное, но и «смешанное» происхождение.

Как мы увидим из дальнейшего рассказа, огромное влияние на движение частиц в плазме оказывают внешние по отношению к ней электрические и магнитные поля. Заряженные частицы, образующие «смешанную» плазму, захвачены в плен магнитным полем Земли и блуждают в нем, не в силах вырваться из него и уйти в мировое пространство.

«Население» внутреннего плазменного пояса в основном, видимо, состоит из вторичных частиц, которые образуются в результате разрушительной деятельности космических лучей в атмосфере, и небыстрых солнечных частиц, растерявших свою энергию в атмосфере Земли.

Плазменные пояса из частиц, захваченных в плен магнитным полем Земли, уже не имеют шарообразной формы, как ионосферные слои, а скорее напоминают огромные баранки, охватывающие земной шар широкими кольцами, особенно толстыми в экваториальных областях.