Jonosfera Ziemi
Przegląd – Pora nocna – Pora dzienna – Efekty wschodu i zachodu Słońca – Rozbłyski Słoneczne – Błyskawice – Próbki Dane
Przegląd
Jonosfera jest definiowana jako warstwa atmosfery ziemskiej, która jest zjonizowana przez promieniowanie słoneczne i kosmiczne. Znajduje się ona 75-1000 km (46-621 mil) nad Ziemią. (Promień Ziemi wynosi 6370 km, więc grubość jonosfery jest dość mała w porównaniu z wielkością Ziemi). Z powodu wysokiej energii pochodzącej ze Słońca i promieni kosmicznych, atomy w tym obszarze zostały pozbawione jednego lub więcej swoich elektronów, czyli „zjonizowane”, i dlatego są naładowane dodatnio. Zjonizowane elektrony zachowują się jak swobodne cząstki. Górna atmosfera Słońca, korona, jest bardzo gorąca i wytwarza stały strumień plazmy oraz promieniowania UV i X, które wypływają ze Słońca i oddziałują na ziemską jonosferę, czyli jonizują ją. Tylko połowa ziemskiej jonosfery jest jonizowana przez Słońce w dowolnym momencie.
Podczas nocy, bez ingerencji Słońca, promienie kosmiczne jonizują jonosferę, choć nie tak silnie jak Słońce. Te wysokoenergetyczne promienie pochodzą ze źródeł w całej naszej galaktyce i we wszechświecie – z wirujących gwiazd neutronowych, supernowych, galaktyk radiowych, kwazarów i czarnych dziur. Dlatego jonosfera jest znacznie mniej naładowana w nocy, dlatego wiele efektów jonosferycznych jest łatwiejszych do zauważenia w nocy – potrzeba mniejszej zmiany, aby je zauważyć.
Jonosfera ma dla nas duże znaczenie, ponieważ, oprócz innych funkcji, wpływa na propagację fal radiowych do odległych miejsc na Ziemi oraz pomiędzy satelitami a Ziemią. W przypadku fal o bardzo niskiej częstotliwości (VLF), które śledzą kosmiczne monitory pogodowe, jonosfera i ziemia tworzą „falowód”, przez który sygnały radiowe mogą się odbijać i pokonywać drogę wokół zakrzywionej Ziemi:
Zdjęcie dzięki uprzejmości Morrisa Cohena, Uniwersytet Stanforda
Jonosfera składa się z trzech głównych części, nazwanych z niejasnych powodów historycznych: regiony D, E i F. Gęstość elektronów jest największa w górnym, czyli F regionie. Region F istnieje zarówno w ciągu dnia, jak i w nocy. W ciągu dnia jest jonizowany przez promieniowanie słoneczne, w nocy przez promienie kosmiczne. Region D zanika w nocy w porównaniu z dniem, a region E ulega osłabieniu.
Atmosfera ziemska i jonosfera
Powrót do góry
Noc
W nocy (zdjęcie poniżej, po prawej stronie), jonosfera ma tylko warstwy F i E. Fala VLF z nadajnika odbija się od jonów w warstwie E i odbija się z powrotem.
Powrót do góry
Dzień
W ciągu dnia (obrazek powyżej, po lewej stronie), promieniowanie X i UV Słońca zwiększa jonizację jonosfery, tworząc warstwę D i wzmacniając warstwę E oraz rozdzielając region F na 2 warstwy. Warstwa D zwykle nie jest wystarczająco gęsta, aby odbijać fale radiowe. Jednak warstwa E jest, więc sygnały VLF przechodzą przez warstwę D, odbijają się od warstwy E i wracają przez warstwę D do ziemi. Sygnały tracą energię podczas przenikania przez warstwę D i dlatego radia odbierają słabsze sygnały z nadajnika w ciągu dnia. Kiedy występuje rozbłysk słoneczny, nawet warstwa D staje się zjonizowana, co pozwala sygnałom odbijać się od niej.
Powrót do góry
Efekty wschodu i zachodu słońca
Wysokość odbicia dla fal VLF zmienia się od około 70 km w dzień do około 85 km w nocy (44-53 mil). Podczas wschodu Słońca światło słoneczne uderza w jonosferę przed ziemią, a podczas zachodu Słońca światło nadal uderza w jonosferę po tym, jak Słońce zaszło nad ziemią. Czas potrzebny Słońcu na zjonizowanie jonosfery, gdy już w nią uderzy, jest praktycznie natychmiastowy.
Więc o wschodzie i zachodzie Słońca sygnał, który odbiera Twój monitor SID jest w zasadzie efektem fal VLF odbijających się od jonosfery na całej drodze od nadajnika do odbiornika, która może wynosić kilka tysięcy mil. Oznacza to, że monitor odbiera ten proces zmiany warunków w miarę jak światło słoneczne omiata drogę pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Długość efektu zależy od wzdłużnej separacji pomiędzy dwoma miejscami (ponieważ terminator wschodu/zachodu słońca potrzebuje więcej czasu, aby przemierzyć ścieżkę). Stąd jeśli spojrzysz na ścieżki północ/południe pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem, dane pokażą dobrze zdefiniowany „dzień” i dobrze zdefiniowaną noc, z dość szybkim przejściem. Dla ścieżek oddalonych od siebie o wiele długości geograficznych, efekt wschodu/zachodu słońca trwa znacznie dłużej i nie charakteryzuje się tak szybkimi zmianami. Szerokość geograficzna również ma w tym swój udział, ponieważ równikowy dzień ma taką samą długość, ale pory dnia na wyższych szerokościach geograficznych są sezonowe.
Powrót do góry
Rozbłyski słoneczne
Rozbłyski słoneczne zobrazowane przez satelitę TRACE.
Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA.
Gdy pojawia się rozbłysk słoneczny, energia rentgenowska rozbłysku zwiększa jonizację wszystkich warstw, w tym D. W ten sposób D staje się teraz wystarczająco silny, by odbijać fale radiowe na niższej wysokości. Tak więc podczas rozbłysku słonecznego fale pokonują mniejszą odległość (odbijając się od D zamiast od E lub F). Siła sygnału zazwyczaj wzrasta ponieważ fale nie tracą energii penetrując warstwę D. Jednakże, siła fal VLF podczas rozbłysku może albo wzrosnąć albo zmaleć. Siła sygnału może się zmniejszyć, ponieważ im niżej odbijają się fale, tym więcej będzie kolizji, lub zakłóceń fal, z powodu gęstszej atmosfery. Te kolizje fal mogą skutkować destrukcyjną interferencją, jak widać na poniższym diagramie:
Obraz z New Worlds, http://newworlds.colorado.edu/starshade/
W rzeczywistości, kolizje w pobliżu wysokości odbicia są podstawowym mechanizmem tłumienia fal VLF. Istnieją jednak inne czynniki, więc nie wszystkie zakłócenia powodują spadek. Jak tylko promieniowanie rentgenowskie kończy się, nagłe zaburzenie jonosfery (SID) kończy się, jak elektrony w regionie D szybko rekombinacji i siły sygnału wracają do normy.
Powrót do góry
Piorun
W ciągu dnia, jonizacja Słońca generalnie pokonuje wszelkie skutki wyładowań atmosferycznych. Jednak w nocy burze z piorunami mogą zjonizować jonosferę i w ten sposób zmienić miejsce, w którym odbijają się fale radiowe.
Zdjęcie z biblioteki NOAA Photo Library.
Jeśli widzisz wiele „drgań” w swoich danych w nocy, fale radiowe prawdopodobnie reagują na burzę z piorunami gdzieś pomiędzy Twoją lokalizacją a nadajnikiem. Sprawdzając prognozy pogody i porównując swoje dane z danymi z innych lokalizacji, można czasem ustalić, gdzie były te burze!
Burzliwa noc z danymi SID
Powrót do góry
Dane przykładowe
Zobacz dane przykładowe z monitora SID z WSO w Palo Alto, Kalifornia, USA. Monitorowanie nadajnika NAA w Cutler, Maine, USA
Powrót do góry
< Powrót – Następny >
>