Физика земли (стр. 10 )

(1+0.378), p ,

где – виртуальная температура – это такая температура, при которой сухой воздух будет иметь ту же плотность, что и данный при температуре (Т) и давление (p).

Лекция № 15

Ионизация, ионосфера и её свойства.

Электромагнитные явления в атмосфере

В обычных условиях газы состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и в нормальных условиях являются изоляторами. Электропроводимость газов возникает при их ионизации.

Ионизация – процесс превращения атомов и молекул в ионы. Происходит под действием электромагнитного излучения (фотоионизация); высокой температуры (термическая ионизация); электрического поля (ударная ионизация).

Ионы – электрически заряженные частицы – атомы или атомные группы, потерявшие или присоединившие электрон. Заряд Иона кратен заряду электрона. Положительные ионы (И+) – называются катионами, отрицательные (И-) – анионы.

Если атом или молекула отдаёт электрон, то она превращается в катион, если присоединяет, то – в анион.

Энергия необходимая для отрыва электрона, называется энергией ионизации.

Ионная проводимость атмосферы – способность передавать электромагнитные колебания на значительные (до 4000км.) расстояния.

Проводимость атмосферы и концентрация ионов в ней.

Изменение проводимости с высотой Таблица 15.1

H, км	0	1	3	6	9	12	15	20	30
λ									1

Основными источниками ионизации являются:

1.  Для нижних слоёв атмосферы – излучение радиоактивных веществ земной коры и атмосферы, размерность – (грамм Raдия/ грамм г. породы)

Горные породы 1 – грамм Raдия/ грамм г. породы

Почвенный воздух Кюри/л

Атмосферный воздух над сушей 1, Кюри/ л

Над океанами (вдали от берега) Кюри/ л

Над океанами (вблизи берега) Кюри/ л

2.  Космические лучи, имеющие галактическое происхождение (99% протонов). Интенсивность ионообразования под действием космических лучей максимальна на Н=20км (данные ракет на φ=41°с. ш. у экватора 1,6 Ј, на φ=40° 1,9)

3.  Солнечная радиация. Из всего спектра солнечного излучения только у. ф. лучи, рентгеновское излучение и γ – кванты обладают энергией, достаточной для ионизации воздуха. Установлено, что примерно 2/3 всей энергии, идущей на ионизацию воздуха, приносит коротковолновое излучение Солнца и лишь 1/3 Ј космические лучи и другие ионизаторы.

В результате ионизации верхний слой атмосферы состоит из нейтральных молекул и атомов воздуха и из свободных ионов и электронов. Этот слой атмосферы называется ионосферой.

Слой ионизируемого воздуха – ионосфера находится на высоте более 60 (около 160 км.) от поверхности земли.

Степень ионизации Земли не однородна и возрастает с высотой. Мерой степени ионизации атмосферы (электронная концентрация N) определяется соотношением между двумя противоположными процессами – ионизацией (увеличивающей число свободных электронов) и рекомбинацией (уменьшающей это число)

Сущность рекомбинации заключается в том, что свободные электроны и положительно заряженные ионы вследствие электростатического притяжения между ними могут встречаться и соединяться, образуя нейтральные частички. Если ионизация идёт интенсивнее рекомбинации, то электронная концентрация растёт и наоборот. Число ионов каждого знака на некоторой высоте можно рассчитать по формуле g0(0)=?

,

где g(h)=g0(0);

λ(h) – интенсивность ионообразования, α=1,6·10-6 см3/с.

g(h) – число пар ионов на высоте Н.

Основные группы ионов в атмосфере. Таблица 15.2

группы	К=подвижность,	Радиус иона, r(см)
1.  Легкие 2.  Средние (мелкие) 3.  Средние (крупные) 4.  Тяжелые 5.  Ультратяжелые 6.  Капли тумана	>1 1 -	6,6 (6,6 – 80) (250 – 550) 550 см.

U –скорость ионов см/сек

Неоднородность ионосферы выражается количеством нескольких максимумов электронной плотности на разных высотах. На 250 – 400км. (≈329км.) электронная концентрация достигает 1-5 электрон/см3. Эта область ионосферы называется слоем .

Выше области N медленно убывает. На высоте км. N≈1 - 4 электрон/см3. На Н=5000 – 7000 км. N≈1 – 3 электрон/см3. Измерения, выполненные с помощью ракет и ИСЗ, показывают, что, по–видимому, ионосфера простирается до 5 радиусов земли, а может быть и дальше.

Хотя в настоящее время доказано, что ионосфера – единое образование, тем не менее, в ней выделяют еще слои D, E, . Область D расположена на высоте 60 – 85км. и имеет N≈ электрон/см3. Помимо электронов, здесь преобладают сложные ионы и . Область D наблюдается только днём. С заходом Солнца она исчезает вследствие рекомбинации. Выше, на высотах 110 – 150км. отмечается (выделяется) область Е с N= электрон/см3 – днём и электрон/см3 – ночью. Здесь, помимо электронов, преобладают ионы и .

На Н=150-250км. располагается область с N≈4 электрон/см3. Она наблюдается только летом и только в дневное время. В остальное время сливается с .

В области F происходит постепенный переход от ионов и к ионам . Выше слоя основными компонентами ионосферы являются ионы и . Самые внешние слои ионосферы состоят практически из одних протонов .

Ионосфера способна отражать и поглощать радиоволны. Радиоволна, встречая свободный электрон, заставляет его колебаться с той же частотой, что и сама. Электрон начинает излучать новую радиоволну. А поскольку электроны сконцентрированы в слое, то этот слой является как бы «зеркалом» для радиоволн, от которого они опять отражаются опять к Земле. Многократно отразившись между поверхностью земли и ионосферой, радиоволна может достичь самых удалённых точек Земли. В этом физическая суть дальней радиосвязи. λ э. м. излучение стр. 6.

Радиоволны испытывают в ионосфере частичное поглощение, сталкиваясь с атомами и молекулами воздуха. Очевидно, что при одной и той же концентрации электронов поглощение будет там больше, где будет больше плотность воздуха. То есть, в нижних слоях ионосферы.

Следует заметить, что при прочих равных условиях поглощение радиоволн уменьшается с увеличением частоты. Поэтому для дальней радиосвязи на Земле всегда стремятся использовать радиоволны КВ и УКВ с высотой частотой. Однако увеличивать частоту радиоволн можно лишь до определенного предела – критической частоты . Так как радиоволны с частотой более критической уже не отражаются от ионосферы, а пронизывают её и уходят далёкий космос.

Критическая частота зависит от электронной концентрации N ионосферы и приблизительно ровна , Гц. При N= электрон/ Ггц.

Ионосфера по своей природе – чрезвычайно изменчивая среда, поскольку своим происхождением она обязана главным образом ионизирующему излучению солнца, то все процессы, происходящие на солнце отражаются на состоянии ионосферы.

1.  Из – за высоты Солнца над горизонтом в ионосфере. происходят регулярные суточные и сезонные изменения, интенсивность которых зависит от широты места. в ионосфере – летом и в полдень, минимальна в полночь и зимой.

2.  Из – за солнечной активности: в период максимальной солнечной активности N в 10 раз больше, чем в период минимальной солнечной активности.

3.  Хромосферные вспышки на солнце приводят к усилению ионизации нижних слоёв атмосферы и, как следствие, – к сильному поглощению радиоволн. В результате чего отмечается сильное уменьшение или полное прекращение слышимости коротковолновых радиопередач. Такие возмущения длятся от нескольких минут до 1 – 2 часов и отмечаются повсюду на дневной стороне Земли.

Обычно через 1 – 2 дня после ионосферного возмущения начинаются ионосферные бури, при которых резко нарушается N в ионосфере. А в полярных областях вообще разрушается слой и растёт N в нижних слоях атмосферы, что приводит к полярному замиранию радиоволн – резкое ухудшение прохождения радиоволн.

Ионосферные бури наблюдаются одновременно с интенсивными полярными сияниями и магнитными бурями. Они вызваны резким усилением потока частиц высыпающих из области авроральной радиации, после прихода к Земле потока корпускул, выброшенных из района хромосферной вспышки на Солнце. Запаздывание начала ионосферной бури по отношению к началу ионосферного возмущения объясняется различием в скорости движения корпускулярных потоков (1000км/с) и скорости коротковолновой радиации, которая достигает 300000 км/с.

В ионосфере, даже при отсутствии возмущений, непрерывно возникают и быстро исчезают неоднородные образования – «облака» плазмы самых различных размеров: от1 – 2 до 15 – 30 км. Время их жизни несколько секунд, но при их движении и наличии происходит «мерцание» принимаемое радиостанцией.

Между нижней границей ионосферы и поверхностью Земли постоянно существует разность потенциалов ≈ 400000 В! Мы, как бы, живём внутри огромного конденсатора. При этом, Земля заряжена всегда «–», а потенциал ионов «+»

Поскольку во всей толще атмосферы всегда имеются ионы, то от верхних слоёв атмосферы к Земле всё время течёт слабый электроток: А/см3. Сила электротока, протекающего через атмосферу в случае разряда, составляет 1800А, а мощность равна

.

Постоянная разность потенциалов поддерживается грозами. Гроза – атмосферное явление, при котором в кучево – дождевых облаках или между ними и земной поверхностью возникает грозовой разряд – молния. Молния – гигантский электрический искровой разряд между облаками или облаками и Землёй длинной несколько километров, диаметром – десятки сантиметров и длительностью десятые доли секунды. Молнии бывает линейные и шаровые, разветвленная, плоская и ракетная.

Линейные молнии имеют форму зигзагообразия, ярко светящиеся – путь электронов, движущихся со скоростью около 3км/с

Шаровая молния светящийся шар, диаметром от 3 до 20 см. Наблюдается при сильных грозах после многократных разрядов с обычными молниями и выпадения дождя. Температура внутри от 800 до 1300 °К. Плотность вещества шаровой молнии близка к ρ воздуха (молния парит). Цвет от оранжевого до белого. Шаровая молния – сгусток плазмы, состоящий из смеси ионов газов воздуха и молекул воды. Шаровая молния пластична – проникает в небольшие щели и отверстия. Исчезает бесследно или со взрывом. Плоская молния – бесшумное беловатое свечение части грозового облака; Оно длится несколько секунд. Разветвлённая молния («крона дерева») – разряд линейной молнии по целой системе разветвленных каналов. Чечёточная молния (ракетная) – отличается от линейной наличием ряда утолщений на канале разряда. При ударах молнии отрицательные заряды стекают на Землю, а положительные уносятся вверх к облачному куполу, откуда они входят в высокие хорошо проводящие слои атмосферы и растекаются над всей землёй. Атмосфера в данном случае является своего рода постоянно действующей электрической машиной.

Гром – звуковое явление в атмосфере сопровождающее молнию. Вызывается колебаниями воздуха в результате быстрого нагревания и расширения (повышения давления) воздуха на пути молнии.

Распространение электромагнитных волн в атмосфере.

Электромагнитная волна (Э – М. В.) – электромагнитное возмущение, которое распространяется в вакууме со скоростью света (с), а в среде – со скоростью

, (15.1)

где – диэлектрическая и магнитная проницаемость среды – вещества [ «основы оптики»- М:наука, 1973][8].

Э. м. в. является поперечной: перпендикулярные между собой электрический и магнитный векторы, описывающие электромагнитное поле (э. м. п.), лежат в плоскостях перпендикулярных направлению распространению э. м. в.

Связь между изменениями напряжённости и описывается уравнениями Максвелла [8], из которых следует, что и связаны линейной зависимостью

(15.2)

C этим электромагнитным возмущением связан перенос энергии, плотность которой для э. п. описывается выражением:

, (15.3)

а для магнитного поля

,,

где Е и Н – амплитуды колебаний векторов и . Величины Е и Н для волны, распространяющиеся вдоль оси Z определяются соотношением

, (15.4)

где

А и – постоянные, t – время, Т – период колебаний, Z – высота на у. м. (уровне моря).

Обозначим – частота волны, – круговая (угловая) частота; λ= – длина волны, – волновое число.

Волна, описываемая выражением (4) называется монохроматической, т. к. относится к одной частоте ν (или длине волны λ). В зависимости от λ и ν различают следующие типы волн (таблица 15.3):

Таблица 15.3

Э – М излучения	λ, мкм	Э – М излучения	λ, мкм
1.  Радиоволны 2.  Оптические инфракрасные видимые ультрафиолетовые	>50 50–0,77 0,77–0,38 0,38–0,01	3.  Рентгеновские 4.  Гамма излучения

Расстояние по Z, равное λ, определяет точки, в которых колебания совершаются в данный момент в одной фазе, поэтому V называется фазовой скоростью монохроматической волны.

Основной характеристикой распространения э. м.в. является количество электромагнитной энергии, передаваемой в пределах некоторого интервала длин волн, в определенном телесном угле или через определённую площадку, в каком-либо направлении. Для радиометрических величин это джоуль (дж), а для фотометрических Люмен в секунду (лм/с). Мощность – Вт. и Лм соответственно. В свободном пространстве э. м.в. распространяется прямолинейно. В материальной среде э. м. в. испытывают рефракцию, рассеяние и поглощение, как и световые волны.

Распространение радиоволн описывают, используя (М) – «приведённый показатель преломления».

Z – высота над уровнем моря R и N – индекс рефракции

С учетом этого, дифференциальное уравнение рефракции запишется в виде

– уравнение траектории радио луча

Т. е. задача сводится к изучению хода луча в атмосфере, состоящей из слоёв.

Лекция №16

Стандартная атмосфера(ρ,ρВ Т°К).

Основные константы, формулы для вычислений.

На прошлой лекции мы познакомились с основными параметрами и физико-химическими свойствами атмосферы Земли, которые, как вы узнали, изменяются в околоземном пространстве в широких пределах как по высоте, так и по горизонтали.

Существующие способы, методы и геофизическая аппаратура позволяет довольно точно измерять все параметры атмосферы. Но, одно дело знать с высокой точностью тот или иной параметр на интересующей нас высоте и, совсем другое дело – иметь строгий физико-математический аппарат, позволяющий вычислить эти параметры с точностью не ниже погрешности их измерения.

Эта задача стала особенно актуальной в связи с освоением и изучением космического пространства с помощью ИСЗ и КЛА, а также с развитием самолётостроения и авиационного приборостроения, а также при самолётовождении и выборе условий полётов.

В связи с этим потребовалось разработать модель среднего состояния атмосферы, описать её с помощью математического аппарата. Модель должна быть удобным справочным материалом для расчетов в космической и авиационной навигации, должна удовлетворять всем службам государства, использующим для своих целей сведения об атмосфере.

Стандартная атмосфера – условно принятое среднее состояние атмосферы до высоты 25000м, характеризующееся постоянным составом воздуха, давлением на уровне моря 760 мм относительной влажностью 0%, температурой у поверхности земли +15°С, градиентом температуры с высотой в тропосфере (до Н=11км) – 0,65°С на 100м

.

Земное притяжение «g».

По второму закону Ньютона .

Приняв правые части равенств для , получим формулу вычисления массы атмосферы Земли

, при , и g=9,82м/.

Зависимость давления воздуха от высоты над уровнем моря

Выведенная нами барометрическая формула (7) работает при T=g=const.

Для меняющихся с высотой температуры и силы тяжести она имеет вид

или (16.1)

Общий вид барометрической формулы (6)

– давление на уровне моря.

При вычислениях по ней вместо Т берут где (16.2)

λ= , Т0=273,15° – средняя температура в слое от 0 до Z.

Силу тяжести вычисляют по формуле

(16.3)

где 9,80616 м/ – у. с.т. на уровне моря φ=45°.

В частности, на высоте h=10км (g) уменьшится на 0,031 м/, т. е в пределах тропосферы (g) меняется мало.

Величину – называют шкалой высот при Т= и g=g0, (16.4)

Логарифмируя (6) и переходя к десятичным логарифмам, запишем барометрическую формулу в развёрнутом виде

(16.5)

В среднем давление уменьшится с 1013,7мбар на уровне моря (в северном полушарии) до 540 мбар на Н=10км. На Н=48,6км – p=мбар.

Таким образом, в слое толщиной 10км содержится ¾ массы всей атмосферы.

Верхний предел постоянных поселений человека находится на Н=5200м (в Перу). На Кавказе есть селения до Н=2,5км. В Кашмире, в Индии до Н=4км (посевы ячменя до 4,5км). Выше Н=7км – наступает кислородное голодание.

Некоторые птицы – альпийская чайка, кондор могут подниматься до Н=7-9км

На Н=2км вода кипит при 93,3°С, а на Н=4км – при 86,6°С

Геопотенциальная и геометрические высоты.

Барометрическая формула геопотенциала

При изучении вертикального распределения давления в атмосфере барометрические формулы упрощаются введением потенциала силы тяжести или геопотенциала, характеризующего потенциальную энергию частицы, расположенной в данной точке.

Потенциал силы тяжести (W) в какой либо точке атмосферы измеряется работой, которую нужно совершить, чтобы поднять единицу массы от уровня моря до данной точки. Потенциал (W) равен

и (16.6)

Размерность (Ф) или Дж/кг

Следовательно для расчета (W) нужно знать g в данном месте и его зависимость от высоты.

На экваторе , следовательно, над экватором поверхность (W), расположена выше, чем над полюсом. Она имеет форму эллипсоида, сжатие которого больше, чем у Земли.

Разделив потенциал W на стандартное ускорение силы тяжести () получим величину с размерностью длины, которую принято называть геопотенциальной высотой(или динамической)

, (16.7)

uде =9,80665 м/ стандартное ускорение силы тяжести.

Чтобы поднять единицу массы 1 кг на высоту 1м на широте , где g=9,81501 м/с2, нужно совершить работу 9,801501 Дж/кг=1,00085гп. м (гп. м) –геопотенциальный метр.

Введём потенциал W в барометрическую формулу

или ,

где – средняя виртуальная температура столба воздуха от Z=0 до , где p=, а – давление на уровне (Z=0).