Грозовые явления при Е-Спорадическом распространении на 144 МГц

2 Дополнительная геофизическая информация

2.1 Нейтральные частицы, ионы и электроны в ионосфере

Менее чем одна тысячая частиц составляющих атмосферные частицы ионизируется в ионосфере, то есть всё же нейтральные частицы преобладают в химическим составе даже в полностью развитом слое E или F. К различию между нейтральными и заряженными частицами в ионосфере, ученые вообще относятся как к нейтральному газу, ионному газу и электронному газу, соответственно (в целом упомянающемуся как ионосферная плазма). Ионный газ прочно связан с нейтральным газом, то есть с объемными движениями нейтральных частиц (например высокие атмосферные ветры) также воздействующими на ионное движение из-за столкновения частиц, передающих энергию и импульс от нейтральных частиц к ионам. Ионы, с другой стороны , притягивают электроны электростатическими силами, то есть динамическая работа ионов (которые управляются нейтральными частицами), также присутствует в электронном газе. Между прочим это причина, почему радары могут исследовать динамику нейтральной частицы в верхних слоях атмосферы обнаруживая радиоволны, рассеянные электронами.

Однако, заряженные частицы также взаимодействуют с электростатическими полями в ионосфере и магнитным полем Земли, то есть механические и электромагнитные силы и управляют движением ионов и электронов. Это приводит к большому разнообразию, комплесу, физических эффектов и явлений. В области F ионосферы (200 - 400 километров), в разряжённой нейтральной атмосфере создаётся ионная-нейтральная ударная частота, то есть ионное движение прежде всего управляется электромагнитными силами (так называемый E Х B дрейф), а не столкновениями частиц.С другой стороны в области Е (90 - 110 километров), нейтральная атмосфера относительно плотная1 и подвергается частым столкновениям нейтральных ионов, то есть движущиеся ионы в большой степени подвержены столкновению с частицами в отличии от малых электронов, у которых однако доминирующая роль в электромагнитных силах. В последствии, ионный дрейф и дрейф электронов могут значительно отличаться по направлению и скорости следовательно разделение зарядов связано с электрическими полями, которые снова приводят к различному комплексу явлений в области Е ионосферы, например неустойчивость плазмы, которая может быть причиной сильного обратного отражения радиоволн.

Что касается вышеупомянутых условий, то мы можем утверждать, что гроза имела отношение к явлениям происходящим в нейтральных компонентах нижней атмосферы (что является очевидной формулировкой потому, что нижняя атмосфера не представлена никакими ионными и электронными компонентами, подобно ионосфере). Е спорадик, напротив, представляет феномен ионного и электронного газа на высоте приблизительно 100 и 110 км (термин спорадический E фактически обозначает краткосрочное повышение ионной и электронной плотности в области Е ионосферы). Поэтому обсуждая возможность грозовых эффектов при Е спорадическом, мы можем размышлять о существовании двух независимых механизмов, то есть:

• Вертикально направленный процесс переноса, который так или иначе переносит такие “грозовые явления” (которые мы должны определить более точно) из нижних в верхние слои атмосферы. Поскольку грозы представляют разновидность компонента атмосферного нейтрального газа, мы можем думать, что характерный признак влияния гроз в области Е первоначально видим только как компонент нейтрального газа в ионосфере. Таким образом, предполагаемый процесс переноса можно рассматривать исключительно как характерную особенность нейтральной атмосферы, поэтому нам нет необходимости принимать во внимание ионы и электроны в данном случае.

• Процесс взаимодействия, который преобразовывает нейтральный газовый компонент характерный для гроз в повышение плотности ионов и электронов, чтобы создавать Е спорадические слои. Этот процесс взаимодействия эффективен в пределах области Е ионосферы, то есть у нас нет необходимости рассматривать здесь крупномасштабный процесс переноса (хотя локальный дрейф нейтральных ионов и электронов будет играть доминирующую роль).

¹Заметьте, что учёные изучающие космос, считают 100 километров высотой, где заканчивается атмосфера Земли и начинается космос. Это определение привлекает много ученых в ионосферной физике из-за высокой плотности частиц на высотах слоя Е и даже выше. Фактически, верхние слои атмосферы между, 100 и 500 километров показывают большое разнообразие явлений (например ветры и приливы) которые не существовали-бы в космическом вакууме и, в последствии, высокое атмосферное трение мешает выведению спутников на орбиту вокруг Земли на 100-километровой высоте.

2.2 Теория сдвига ветра

Е спорадические слои содержат значительное количество долгоживущих металлических ионов (то есть. обычные доминирующие ионы на высоте области Е, Fe+ и Mg+ помимо O2+ и NO+ ), которые успешно транспортируются ветровыми полями, например приливами в верхних слоях атмосферы, которые существуют подобно приливам в океанах. Фактически, ионное движение в большей степени регулируется объемным движением нейтральных частиц сводящемуся к ионным-нейтральным столкновениям как описано выше. При скорости ветра близкой к нулю (см. ломаную линию на рис. 2.1), ионы могут накапливаться в плотных Е спорадических слоях. Однако, приближение к нулю (то есть высотно-зависимая инверсия скорости ветра) нельзя рассматривать только как сценарий сдвига ветра, который может создать спорадические E слои.

Рис. 2.1. Горизонтальный сдвиг ветра, создаёт Е спорадический слой при инверсии скорости ветра (северное полушарие). Поле ветра (зелёный цвет) обозначает объемные движения нейтральных частиц которые сталкиваются с положительными ионами в области Е ионосферы, передавая следовательно импульс и энергию от нейтральных частиц к ионам. Будучи заряженными частицами в магнитном поле, ионы могут двигаться только по спирали вверх или вниз по линиям магнитного поля Земли в зависимости от фактического направления ветра. При условии инверсии меридианального направления ветра (сдвиг ветра) от юг-север до север-юг с уменьшением высоты, ионы могут накопиться в плотном спорадическом слое Е (ломаная линия).

Эта так называемая теория сдвига ветра была развита Вайтхедом (1961), Эксфордом (1963) и другими и также во многих последующих радиолюбительских статьях, смотрите, например, [13]. Поскольку вертикальная ионная скорость пропорциональна косинусу угла наклонения (то есть местному наклону линий магнитного поля Земли), утверждалось, что механизм сдвига ветра - больше или меньше неэффективен в полярных широтах, где угол наклонения является большим. Это также неэффективно над магнитным экватором, где горизонтальные линии магнитного поля едва могут создать вертикальные ионные смещения. Поэтому модель сдвига ветра кажется применимой только в средних широтах2 и здесь она утвердилась как одна из причин возникновения спорадических E слоев.

Однако, при помощи этой модели теперь необходимо объяснить возникновение металлических ионов3 и причину сдвига ветра в области Е ионосферы. В этой статье, мы не сможем подробно рассмотреть проблемы моделей сдвига ветра, но желаем подчеркнуть что даже любое накопление ионов и электронов не может полностью объяснить происхождение сильного отраженного обратно эха на очень высоких частотах, не принимая во внимание также дальнейшие соображения (см. обсуждение далее ниже и отдельную статью, которая появится на интернет странице Amateur Radio Propagation Studies [58]).

Однако, модель сдвига ветра может выполнить требование вышеупомянутого процесса взаимодействия (см. главу 2.1) потому, что она показывает особенность нейтральной атмосферы, которая может изменять распределение плотности ионов и электронов в области E ионосферы, то есть динамика нейтральной частицы отождествляется с элементом движущим генерацию Е спорадических слоев.

Заметьте, что модель сдвига ветра только одна из многих которые желают объяснить генерацию Е спорадических слоёв. Другая модель, например, обращается к спорадическим нейтральным слоям, которые были обнаруженны двадцать лет назад, то есть слои натрия и другой химический класс “толщиной между несколькими сотнями метров и несколькими километрами … располагаются на той же самой высоте как и ионосферный спорадический E” [16]. Эти спорадические нейтральные слои “несомненно связаны со спорадическим E, хотя, в данном месте и времени, присутствие одного не требует существования другого” [16]. Оказывается эти слои связаны с атмосферными волнами, которые действительно играют важную роль в нижних и верхних слоях атмосферы.