3. Состав и строение верхних слоев атмосферы

Ионосферой принято называть ионизированную область атмосферы, расположенную на высотах, превышающих 60 км. Поскольку ионизированная область образуется в окружающей земной шар атмосфере, необходимо, прежде чем изучать собственно ионосферу, описать основные физические свойства верхних слоев атмосферы. К таким свойствам относятся: состав, плотность (число молекул в единице объема) и распределение температуры по высоте. Эти данные определяются прямыми и косвенными измерениями.

К прямым измерениям относятся измерения давления, температуры и течений при помощи стратостатов, шаров-зондов, радиозондов и определение состава воздуха путем взятия проб. В последние годы для изучения строения и состава атмосферы применяют приборы (манометры, масс-спектрографы, измерители электронной концентрации и др.), устанавливаемые на геофизических ракетах, на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и на космических станциях. При помощи шаров-зондов и радиозондов изучена область атмосферы вплоть до 40 км. Ракеты, ИСЗ и космиче­ские станции позволяют изучать строение атмосферы во всей ее толще.

К косвенным методам относятся наблюдения за полярными сияниями (включая спектральный анализ полярных сияний), за свечением ночного неба, за траекториями метеоров, за распространением радиоволн (в том числе радиоволн, излучаемых Солнцем, звездами и туманностями), за распространением атмосфериков и звукометрические измерения.

Важным методом изучения верхних слоев атмосферы является наблюдение за распространением вертикально направленных и наклонных радиоволн, осуществляемое на станциях вертикального, наклонного и возвратно-наклонного зондирования ионосферы. В самые последние годы для измерения электронной концентрации начали применяться мощные радиолокационные станции, регистрирующие рассеянное некогерентное излучение, создаваемое входящими в состав ионосферы электронами.

Совокупность всех применяемых методов исследования позволила получить достаточно полное представление о строении атмосферы. По современным представлениям земная атмосфера простирается на два-три земных радиуса. При этом под атмосферой принято понимать газовую оболочку, принимающую участие во вращательном движении Земли. Внешние части атмосферы состоят из ионизированных атомов водорода (протонов), гелия и электронов, захваченных магнитным полем Земли (которое играет роль «ловушки») и движущихся вдоль силовых линий и вокруг Земли. Эти частицы образуют радиационные пояса Земли. Во время геомагнитных возмущений протяженность вращающегося вместе с Землей ионизированного газа возрастает и при особенно сильных возмущениях может составлять десять земных радиусов.

Данные наблюдений показывают, что вплоть до высоты 90 км атмосфера имеет такой же состав, как и у поверхности Земли. Полагают, что господствующие в этой области атмосферы течения и восходящие и нисходящие токи воздуха настолько хорошо перемешивают атмосферу, что обеспечивают, несмотря на различие в массах составных частей воздуха, постоянство ее состава. Нижние слои атмосферы состоят, главным образом, из молекулярных азота и кислорода

Современные данные показывают, что в ионосфере доминируют ионы массовым числом 16. Масс-спектрометры зарегистрировали также ионы с массовыми числами 14 —атомный азот , 18 — изотоп кислорода , 28 — молекулярный азот , 30 – окись азота (N0) и 32 —молекулярный кислород . Кроме того, в узком интервале высот в области 100 км обнаружены многочисленные ионы металлов Са, Fe, Mg и других. Несмотря на незначительное количество нейтральных молекул окиси азота в атмосфере, в интервале высот 100—400 км среди молекулярных ионов преобладают ионы N , образующиеся благодаря ионно-молекулярной редакции. .