Строение атмосферы. Мы знаем, что воздух не проводит электрического тока

Мы знаем, что воздух не проводит электрического тока. Однако под влиянием внешних воздействий воздух может быть проводником. Например, достаточно быстрые заряженные частицы ионизуют атомы газов, составляющих воздух, т.е. выбивают из этих атомов электроны. В результате процесса ионизации нейтральный атом превращается в две частицы: отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный ион, который гораздо тяжелее электрона. Так в воздухе появляются свободные носители заряда, которые могут перемещаться в электрическом поле и обусловливают проводимость. Ионизация воздуха может происходить не только под действием быстрых частиц, но и под влиянием некоторых других воздействий. В частности, ультрафиолетовое излучение также может, проходя через воздух, приводить к ионизации атомов и создавать таким путем проводимость.

Верхние слои атмосферы все время испытывают целый ряд воздействий, приводящих к ионизации атомов. Это жесткая часть солнечного излучения (ультрафиолетовые и более короткие волны), поглощаемая в верхней атмосфере и вызывающая ионизацию. Это и потоки частиц, идущих на Землю от Солнца. Они также производят ионизацию в атмосфере. Это и космическое излучение, приходящее на Землю из далеких областей, находящихся за пределами нашей Галактики. Все эти и некоторые другие факторы и приводят к тому, что атмосфера на большой высоте представляет собой ионизованный газ, способный проводить электрический ток. Проводящая среда поглощает и отражает электромагнитные волны. Теория распространения радиоволн в проводящей атмосфере очень сложна, потому что плотность и проводимость атмосферы меняется с высотой, кроме того, ионизованный газ в верхней атмосфере находится под воздействием магнитного поля Земли, и это обстоятельство необходимо учитывать - ионизованный газ в магнитном поле приобретает такие оптические свойства, как двоякопреломление, т.е. в каждом данном направлении в такой среде могут распространяться две волны одной частоты, но с разными фазовыми скоростями, причем вектор поляризации у одной из этих двух волн вращается вправо, а у другой - влево.

В 1902 английский математик Оливер Хевисайд и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой. Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Наблюдения на мировой сети станций позволили получить глобальную картину изменения ионосферы. Было установлено, что концентрация ионов и электронов в ионосфере распределена по высоте неравномерно: имеются области, или слои, где она достигает максимума. Таких слоев в ионосфере несколько они не имеют резко выраженных границ, их положение и интенсивность регулярно изменяются в течение дня, сезона и 11-летнего солнечного цикла. Верхний слой F соответствует главному максимуму ионизации ионосферы. Ночью он поднимается до высот 300—400 км, а днём (преимущественно летом) раздваивается на слои F ₁ и F ₂ с максимумами на высотах 160—200 км и 220—320 км. На высотах 90—150 км находится область Е, а ниже 90 км

область D.

Рис. 1.3. Отражательные слои ионосферы и распространение коротких волн
в зависимости от частоты и времени суток.

На высотах областей D и Е часто наблюдают кратковременные необычайно узкие слои повышенной ионизации (так называемые спорадические слои E_s), состоящие в основном из ионов металлов Mg⁺, Fe⁺, Ca⁺ и др. За счёт E_s возможно дальнее распространение телевизионных передач. Признанной теорией образования слоев E_s является так называемая теория «ветрового сдвига», по которой в условиях магнитного поля движения газа в атмосфере «сгоняют» ионы к области нулевой скорости ветра, где и образуется слой E_s.