F-слой ионосферы: структура и характеристики

Введение

Слой в ионосфере
В F-области ионосферы находится F-слой ионизации, также называемый слоем Апплетона — Барнетта, в честь английского физика Эдварда Апплетона и новозеландского физика и метеоролога Майлза Барнетта. Как и в других секторах ионосферы, термин "слой" подразумевает концентрацию плазмы, а "область" – объем, содержащий этот слой. F-область содержит ионизированные газы на высоте около 150–800 км (100–500 миль) над уровнем моря, что располагает её в термосфере Земли – горячей области в верхних слоях атмосферы – и в гетеросфере, где химический состав меняется с высотой. В целом, F-область характеризуется самой высокой концентрацией свободных электронов и ионов во всей атмосфере. Её можно рассматривать как состоящую из двух слоев: F1 и F2. F-область расположена непосредственно над E-областью (ранее известной как слой Кеннели — Хевисайда) и ниже протоносферы. Она служит надежным отражателем радиосигналов высокой частоты, поскольку не подвержена влиянию атмосферных условий, хотя её ионный состав изменяется в соответствии с циклом солнечной активности. Она отражает нормально падающие частоты на критической частоте (приблизительно 10 МГц) и ниже, и частично поглощает волны с более высокой частотой.

Слои F1 и F2

Слой F1 является нижним сектором слоя F и существует примерно от 150 до 220 км (100 до 140 миль) над поверхностью Земли, только в дневное время. Он состоит из смеси молекулярных ионов O2+ и NO+ и атомных ионов O+. Над областью F1 атомный кислород становится преобладающим компонентом, поскольку более легкие частицы, как правило, занимают более высокие высоты над турбопаузой (на высоте около 90 км, 56 миль). Этот атомный кислород обеспечивает атомные ионы O+, которые формируют слой F2. Плотность слоя F1 составляет приблизительно 5 × 105 эл/см³ (свободных электронов на кубический сантиметр) в полдень при минимальной солнечной активности и возрастает примерно до 2 × 106 эл/см³ во время максимальной солнечной активности. Ночью плотность снижается до менее 104 эл/см³. Слой F1 сливается со слоем F2 ночью. Хотя его характеристики достаточно регулярны, он наблюдается не везде и не каждый день. Основным отражающим слоем летом для трасс длиной от 2000 до 3500 км (1200 до 2200 миль) является слой F1. Однако это зависит от частоты распространяемого сигнала. Плотность электронов слоя E и, как следствие, максимальная используемая частота (МУЧ) в периоды высокой солнечной активности могут преломлять и тем самым блокировать сигналы частотой до 15 МГц от достижения слоев F1 и F2, что приводит к значительному сокращению расстояний по сравнению с возможными при преломлении в слоях F1 и F2. Но сигналы с крайне малым углом излучения (менее 6 градусов) могут достигать расстояний в 3000 км (1900 миль) за счет преломления в слое E. Слой F2 существует примерно от 220 до 800 км (140 до 500 миль) над поверхностью Земли. Слой F2 является основным отражающим слоем для радиосвязи в диапазоне высоких частот как днем, так и ночью. Расстояние, ограниченное горизонтом, для однократного отражения от слоя F2 обычно составляет около 4000 км (2500 миль). Плотность слоя F2 составляет около 106 эл/см³. Однако изменения обычно значительны, нерегулярны и особенно заметны во время магнитных бурь. На поведение слоев F доминируют сложные термосферные ветры.

The F1 layer is the lower sector of the F layer and exists from about 150 to 220 km (100 to 140 miles) above the surface of the Earth and only during daylight hours. It is composed of a mixture of molecular ions O2+ and NO+, and atomic ions O+. Above the F1 region, atomic oxygen becomes the dominant constituent because lighter particles tend to occupy higher altitudes above the turbopause (at ~90 km, 56 miles). This atomic oxygen provides the O+ atomic ions that make up the F2 layer. The F1 layer has approximately 5 × 105 e/cm3 (free electrons per cubic centimeter) at noontime and minimum sunspot activity, and increases to roughly 2 × 106 e/cm3 during maximum sunspot activity. The density falls off to below 104 e/cm3 at night. The F1 layer merges into the F2 layer at night. Though fairly regular in its characteristics, it is not observable everywhere or on all days. The principal reflecting layer during the summer for paths of 2,000 to 3,500 km (1200 to 2200 miles) is the F1 layer. However, this depends upon the frequency of a propagating signal. The E layer electron density and resultant MUF, maximum usable frequency, during high solar activity periods can refract and thus block signals of up to about 15 MHz from reaching the F1 and F2 regions, with the result that distances are much shorter than possible with refractions from the F1 and F2 regions. But extremely low radiation angle signals (lower than about 6 degrees) can reach distances of 3000 km (1900 miles) via E region refractions. The F2 layer exists from about 220 to 800 km (140 to 500 miles) above the surface of the Earth. The F2 layer is the principal reflecting layer for HF communications during both day and night. The horizon limited distance for one hop F2 propagation is usually around 4,000 km (2500 miles). The F2 layer has about 106 e/cm3. However, variations are usually large, irregular, and particularly pronounced during magnetic storms. The F layer behaviour is dominated by the complex thermospheric winds.

Использование в радиосвязи

Критические частоты F2 слоя – это частоты, которые не проникают сквозь F2 слой. При редких атмосферных условиях возможно распространение радиоволн F2, что позволяет принимать телевизионные и FM-радиосигналы в диапазоне VHF на очень больших расстояниях, значительно превышающих нормальную зону покрытия.