Заряженные частицы, которые достигают земной атмосферы, создают в ней ионы. Они заряжены положительно: от атома или молекулы отрывается по одному орбитальному электрону. Тут же находятся и оторванные электроны.Но ионизацию атмосферного газа производят не только заряженные частицы, но и волновое излучение Солнца. Способность волнового излучения проводить ионизацию зависит от энергии квантов этого излучения или, другими словами, от его частоты. Излучение с разными частотами ионизуют атомы и молекулы разных химических элементов, которые входят в состав атмосферы.
Созданные солнечным волновым излучением ионы и электроны определенное время остаются неизменными. Время их существования ученые называют временем их жизни. Но через какое-то время при столкновениях они вновь объединяются в нейтральные атомы и молекулы. Время их жизни отсчитывается от момента их образования в акте ионизации до момента их объединения в атомы и молекулы. Этот процесс специалисты назвали рекомбинацией. Чем чаще сталкиваются частицы, тем вероятнее, что они исчезнут в процессах рекомбинации, а точнее превратятся в нейтральные атомы и молекулы. Это значит, что чем ниже в атмосфере, тем меньше времени живут ионы и свободные электроны.
Сфера ионов и электронов (ионосфера) образуется не во всей атмосфере, а только на определенных высотах. Падая сверху на атмосферу, солнечное излучение (как волновое, так и корпускулярное) , постепенно углубляясь в атмосферу, теряет свою энергию. При этом теряется и его способность проводить ионизацию. Поэтому ниже 10 0 км ионизация, создаваемая волновым излучением Солнца, в сотни раз меньше, чем на высотах 300—350 км. Ниже 5 0 км эта ионизация пренебрежимо мала. Таким образом, можно считать, что ионосфера простирается от высоты 50 км и заканчивается на высоте 1000 км. Это цифры приблизительные. Солнечное излучение, которое создает ионосферу, меняется со временем суток, с сезоном, с широтой данного места. Поэтому и ионосфера зависит также от этих факторов. Поскольку в каждой точке земного шара солнечное излучение практически непрерывно меняется, то и ионосфера вокруг всей Земли меняется также непрерывно. Естественно, дирижером всех этих изменений является Солнце.
В средних и низких широтах, куда солнечные заряженные частицы не вторгаются, ионосфера создается только волновым излучением. В высоких широтах, в овалах полярных сияний ионосфера создается и заряженными частицами. Здесь в продолжение длинной полярной ночи атмосфера месяцами не освещается солнечным светом. Поэтому в полярную ночь основным агентом, который создает здесь ионосферу, являются заряженные частицы. Потоки этих частиц одновременно и создают ионосферу и полярные сияния. Поэтому в овалах полярных сияний имеется наибольшее количество ионов и свободных электронов.
Атмосферный газ находится в непрерывном движении. Чем выше, тем скорости этого движения, то есть скорости ветров, больше. У поверхности Земли скорость ветра, равная десяткам метров в секунду, считается очень большой. На высоте 100 км и выше такая скорость считается просто мизерной. Там скорости ветров измеряются сотнями метров в секунду.
Атомы и молекулы атмосферного газа непрерывно сталкиваются с ионами. Поэтому если находятся в движении одни, то со временем приходят в движение и другие. Так что ионосфера, как и атмосфера, находится в непрерывном движении. За время своей жизни образованные ионы и электроны успевают уйти достаточно далеко от места своего образования.
Токи в ионосфере
Обычный воздух не проводит электрический ток. Это и хорошо. Если бы воздух проводил электрический ток, то пользоваться электричеством в технике и быту было бы намного сложнее. Например, любую розетку, в которую попадает воздух, закорачивало бы.
Но если в воздухе создается много ионов и свободных электронов, то он может стать проводником электрического тика. Ведь при этом появятся носители электрических зарядов, без которых не может быть электрического тока. Чтобы возник электрический ток, недостаточно носителей электрических зарядов. Надо еще чтобы действовали силы, заставляющие электрические заряды двигаться. Ведь ток является упорядоченным движением электрических зарядов. Если положительных и отрицательных электрических зарядов, которые движутся вместе, одинаковое количество, то тока не возникнет. Дело в том, что суммарный электрический заряд движущихся частиц равен нулю. Поэтому и ток равен нулю.
В воздухе всегда имеются заряженные частицы— ионы и электроны. Но в разных местах, и особенно на разных высотах, их разное количество. То количество ионов, которое имеется в приземном воздухе, недостаточно для возникновения тока. Но в особых условиях это возможно. Например, во время грозы. Молния как раз и является импульсом электрического тока. Прежде, чем он возникнет, создаются заряженные частицы, образуя своего рода коридор, по которому затем проходит импульс электрического тока.
Чем выше, тем плотность воздуха меньше. Число заряженных частиц, наоборот, с высотой увеличивается, особенно выше 50 км, в ионосфере. Ионы и электроны в ионосфере находятся в непрерывном движении. Но не везде это движение является электрическим током.
Больше всего положительных ионов и электронов находится на высотах 250—350 км. Здесь количество электронов может достигать одного миллиона штук в одном кубическом сантиметре. Точно столько же и положительных ионов. Поскольку положительные ионы и отрицательно заряженные электроны притягиваются друг к другу, то они не могут уйти далеко друг от друга. Если взять какой-либо объем (даже очень небольшой), то весь газ в нем является электрически нейтральным. Каждый положительный заряд иона компенсируется отрицательным зарядом электрона такой же величины. Такой газ называют плазмой. Поскольку свойства такого газа очень сильно отличаются от обычного, то его считают четвертым состоянием вещества.
Собственно, ионосфера и является плазмой. Плазма может состоять только из ионов и электронов. Тогда ее называют полностью ионизованной. Если кроме ионов и электронов имеются и нейтральные атомы и молекулы, не ионизованные, то ее называют частично ионизованной. Такой частично ионизованной плазмой является ионосфера Земли.
Отличия плазмы от обычного газа особенно разительны в том случае, если плазма находится в магнитном поле. На обычный газ магнитное поле не оказывает никакого влияния. Он движется точно так же, как и в отсутствие магнитного поля. Совсем другое дело плазма. Она состоит из электрически заряженных частиц. А каждая заряженная частица взаимодействует с магнитным полем. Поэтому характер ее движения в присутствии магнитного поля меняется. Как именно?
Под действием силы гравитационного притяжения любая частица в атмосфере будет стремиться падать на Землю, то есть двигаться вертикально вниз. Но если это заряженная частица, то под действием магнитного поля и силы гравитации она будет двигаться не вниз, а горизонтально. Это очень любопытно. Рассмотрим это подробнее.
Если заряженная частица движется поперек магнитного поля, то на нее действует сила (сила Лоренца), которая заставляет частицу двигаться по окружности вокруг силовой линии. С этим мы уже знакомы. При таком движении вокруг силовых линий магнитного поля частицу будет сносить от данной силовой линии в сторону, поперек нее. Это движение называют дрейфом. Если сила, действующая на частицу, направлена вниз, магнитное поле горизонтально и направлено с юга на север, то дрейф заряженной частицы под действием силы гравитации будет проходить в направлении восток—запад. Электроны дрейфуют на восток, а положительные ионы— на запад. Такой результат действия силы гравитации.
Электрические токи в ионосфере текут только там, где электроны и ионы могут двигаться по-разному. Это происходит под действием силы гравитации. В месте падения заряженных частиц вниз они, двигаясь горизонтально, создают электрические токи.
Поскольку кроме заряженных частиц в ионосфере имеются и нейтральные атомы и молекулы, то они мешают заряженным частицам двигаться. При столкновениях заряженных частиц с нейтральными их энергия теряется: передается нейтральным частицам. Эффект такой передачи зависит от массы сталкивающихся частиц. Если массы сталкивающихся частиц одинаковы, то энергия одной частицы может целиком перейти к другой при их столкновении. Если частица с малой массой сталкивается с другой, масса которой в сотни и тысячи раз больше, то энергия передается очень неэффективно. Нельзя, ударяя песчинкой о каменную глыбу, передать ей всю энергию песчинки. Песчинками в ионосфере являются электроны. Они в тысячи раз легче ионов, атомов и молекул. Поэтому условия их движения не такие, как у ионов.
В ионосфере текут электрические токи. Это стало ясно еще в прошлом веке. Дело в том, что эти токи чувствуются на больших удалениях от них. Как известно, каждый электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Это поле можно зарегистрировать далеко от тока. Когда в прошлом веке измеряли магнитное поле приборами, установленными на поверхности Земли, то пришли к выводу, что где-то высоко в атмосфере должен течь электрический ток. Так впервые ученые пришли к выводу, что в атмосфере Земли должен существовать слой, проводящий электрический ток, то есть ионосфера. Токи в ионосфере текут на высотах 100—110 км. Чем больше там заряженных частиц, тем дольше проводимость плазмы, тем сильнее токи. В высоких широтах, где вторгающиеся потоки заряженных частиц производят ионизацию, проводимость ионосферы выше. Поэтому в овалах полярных сияний (огненных кольцах) текут особенно сильные токи. Общая их сила составляет несколько сот ампер!
Сила этих токов зависит от ионизации атмосферного газа, а она зависит от потоков, которые ее производят. Потоки заряженных частиц меняются в зависимости от изменения солнечной активности. Поэтому, в конце концов, сила ионосферных токов в высоких широтах зависит от солнечной активности. В то же время эти токи создают вокруг себя магнитное поле, которое измеряется приборами, установленными как на Земле, так и на ракетах и спутниках. Поэтому наблюдается такая связь: чем выше солнечная активность, тем больше меняется магнитное поле Земли, тем больше его возмущенность. Точно так же меняется и количество полярных сияний.