Рассмотрена методика расчета высотного профиля температуры электронов в области Е ионосферы Земли. Приведены примеры расчета профиля электронной температуры на высотах 100 - 170 км в зависимости от зенитного угла Солнца. Обсуждаются проблемы теплового баланса ионосферных электронов в области Е.

Ключевые слова: ионосфера, температура электронов, концентрация, тепловой баланс, скорость нагрева, солнечное излучение, соударения электронов, высотный профиль температуры, зондовые измерения.

Проектирования средств связи возможно при надежном прогнозе условий распространения волн в различных диапазонах [1]. Для моделирования ионосферного распространения радиоволн необходимо задать надежные пространственные распределения электронной концентрации, расчет которых, в свою очередь, требует использования достоверных моделей нейтральной атмосферы, а также температурного режима как ионизованной, так и нейтральной составляющих. Поэтому расчет высотных профилей температуры электронов в ионосфере является актуальной задачей.

В условиях области Е ионосферы теплопроводностью электронного газа можно пренебречь, и для стационарного случая использовать уравнение теплового баланса для электронов в виде:

Q = L. (1)

Здесь Q = Q₁ +Q₂. Q_{1 -} скорость нагрева единицы объема электронного газа фотоэлектронами [2,3]. Q₂ - скорость нагрева излучением в континиуме Шумана-Рунге. В процессе диссоциации молекулярного кислорода под действием солнечного излучения с длиной волны возможно образование одного из атомов в возбужденном состоянии, что приводит к передаче энергии тепловым электронам. [4,5]. Такие источники как нагревание электронного газа за счет тушения метастабильных ионов, образующихся при фотоионизации нейтральных составляющих атмосферы, за счет выделения энергии в результате реакций диссоциативной рекомбинации и за счет наличия электрического поля являются второстепенными [4,5].

Правая часть уравнения (1) представляет собой суммарную скорость потерь тепла единицей объема электронного газа в процессе упругого и неупругого взаимодействия с нейтральными молекулами и положительными ионами.

Наиболее существенным фактором, определяющим перенос энергии от тепловых электронов к нейтральным частицам, являются неупругие соударения, в которых электроны теряют энергию за счет возбуждения внутренних степеней свободы нейтралов. К числу таких процессов, играющих более или менее важную роль в охлаждении электронного газа в ионосфере, относятся: вращательное и колебательное возбуждение молекулярного кислорода и азота, возбуждение тонкой структуры атомарного азота. Тепловые электроны также теряют энергию при упругих взаимодействиях с молекулярным и атомарным кислородом и молекулярным азотом. Имеют место потери энергии и при упругих соударениях с положительными ионами [6-9].

Таким образом, расчет температуры электронов Т_е сводится к решению уравнения (1).

Нами была рассчитана скорость нагрева электронного газа фотоэлектронами Q₁. Результаты расчета для трех случаев представлены на рисунках 1-3. Здесь же приведены профили Q₂-скорости нагрева ионосферных электронов излучением в континиуме Шумана-Рунге. Расчеты проводились для значений зенитного угла Солнца 70, 77, и 86 градусов соответственно и среднего уровня солнечной активности. При расчетах использовалась модель нейтральной атмосферы CIRA.

Результаты расчетов, представленные на рисунках 1-3, показывают, что в зависимости от зенитного угла Солнца основным источникам нагрева электронного газа на высотах области Е ионосферы может быть, как Q₁, так и Q₂. Следовательно, во всех случаях расчета теплового баланса ионосферных электронов на этих высотах необходимо учитывать оба эти источника тепла.

В первом и втором случае основную роль в нагреве электронов играет Q₁, в то время, как величина Q₂ по отношению к общему притоку тепла Q = Q₁ + Q₂ составляет не более 25%.

В то же время в третьем случае нагрев электронов на высотах менее 150 км происходит, главным образом, за счет излучения Шумана-Рунге. На высотах более 150 км значения Q₂ также достаточно велики. Так на высоте 170 км отношение Q₂ к Q₁ составляет более 30%. Таким образом можно с уверенностью утверждать, что оба источника нагрева электронного газа должны быть учтены при решении уравнения теплового баланса.

Профили Q₁ обнаруживают следующие особенности. В диапазоне высот от 100 до 170 км наблюдается монотонное увеличение Q₁. С возрастанием зенитного угла Солнца рост Q₁ с высотой становится все более резким.

Считается, что результаты теоретического расчета дают значения Q₁ с точностью до фактора 1,5, поскольку именно такова точность при задании сечений ионизации и поглощения [3]. При увеличении зенитного угла Солнца и уменьшении высоты в спектре первичных фотоэлектронов все заметнее возрастает относительное содержание частиц с большими энергиями, способных производить вторичную ионизацию нейтральных молекул. Эффект наличия вторичных электронов учитывался нами в работах [2,3] откуда следует, что на малых высотах при больших значениях зенитного угла Солнца ошибка при расчете Q₁ наиболее существенна. Графики на рисунках 1 - 3 позволяют проследить уменьшение Q₁ с ростом зенитного угла на фиксированных высотах.

Рис. 1. - Высотные профили Q, зенитный угол .

Рис. 2. - Высотные профили Q, зенитный угол .

Рис. 3. - Высотные профили Q, зенитный угол .

Имея рассчитанные профили Q и учитывая перенос энергии от электронов к нейтральным частицам атмосферы, нами были рассчитаны профили температуры электронов для указанных выше зенитных углов Солнца. Результаты расчетов представлены на рисунках 4-6. Здесь же представлены высотные профили температуры нейтральных частиц Т_n

Рис. 4. - Профили температуры электронов T_e и нейтральных частиц T_n для зенитного угла Солнца .

Рис. 5. - Профили температуры электронов T_e и нейтральных частиц T_n для зенитного угла Солнца .

Рис. 6. Профили температуры электронов T_e и нейтральных частиц T_n для зенитного угла Солнца .

Из полученных результатов видно, что температура электронов монотонно возрастает с высотой. Температура электронов выше 140 км заметно превышает температуру нейтральных частиц.

ионосфера температура электрон земля

При расчетах были использованы экспериментальные профили электронной концентрации, полученные с помощью высокочастотного импедансного зонда для данных условий из [10].

Важной и давней проблемой теплового баланса Е области ионосферы является тот факт, что результаты измерения температуры электронов с помощью зондов, поднимаемых на ракетах, систематически дают более высокие значения Т_e, чем результаты расчетов из уравнения теплового баланса. Зондовая температура электронов, как правило, превышает температуру, измеренную методом некогерентного рассеяния радиоволн, которая стремится к температуре нейтральных частиц на высотах менее 130-140 км. Косвенные расчеты Т_e, например по результатам измерения поглощения радиоволн методом А₁ и А₂, также дают Т < Т_e [11,12].

Литература