Осаждение электронов (также называемое высыпанием энергичных электронов или EEP ) - это атмосферное явление, которое происходит, когда ранее захваченные электроны попадают в атмосферу Земли , создавая таким образом помехи связи и другие помехи. [1] Электроны, захваченные магнитным полем Земли, вращаются вокруг силовых линий от радиационного пояса Ван Аллена . Электроны происходят из солнечного ветра и могут оставаться в ловушке над Землей в течение неопределенного периода времени (в некоторых случаях лет). При широкополосной очень низкой частоте (VLF)волны распространяются по радиационным поясам, электроны покидают радиационный пояс и «оседают» (или перемещаются) в ионосферу (область атмосферы Земли), где электроны сталкиваются с ионами. [2] Электронные осадки регулярно связывают с истощением озонового слоя . Часто это вызвано ударами молнии .
Процесс [ править ]
Электрон в гирочастота этого количество раз , она вращается вокруг линии поля. [1] ОНЧ-волны, распространяющиеся через магнитосферу , вызванные молнией или мощными передатчиками, распространяются через радиационный пояс. Когда эти ОНЧ-волны поражают электроны с той же частотой, что и гирочастота электрона, электрон покидает радиационный пояс и «осаждается» (потому что он не сможет повторно войти в радиационный пояс) по всей атмосфере и ионосфере Земли. [2]
Часто, когда электрон высыпается, он направляется в верхние слои атмосферы, где может столкнуться с нейтральными частицами, тем самым истощая энергию электрона. [3] Если электрон проходит через верхние слои атмосферы, он попадает в ионосферу. Группы высыпавшихся электронов могут изменять форму и проводимость ионосферы, сталкиваясь с атомами или молекулами (обычно с частицами на основе кислорода или азота [4] ) в этой области. [5] При столкновении с атомом электрон лишает атом других своих электронов, создавая ион . Столкновения с молекулами воздуха также испускают фотоны, которые создают тусклый эффект « полярного сияния ». [4]Поскольку это происходит на такой большой высоте, люди в самолетах не подвергаются воздействию излучения. [3]
Процесс ионизации, вызванный высыпанием электронов в ионосфере, увеличивает ее электрическую проводимость, что, в свою очередь, переносит нижнюю часть ионосферы на меньшую высоту. [5] Когда это происходит, происходит истощение озонового слоя и некоторые коммуникации могут быть нарушены. [1] Понижение высоты ионосферы носит временный характер (если высыпание электронов не является постоянным), в то время как ионы и электроны быстро реагируют с образованием нейтральных частиц.
Истощение озонового слоя [ править ]
Электронное осаждение может привести к значительной кратковременной потере озона (максимум около 90%). Однако это явление также коррелирует с некоторым долгосрочным истощением озонового слоя. [6]Исследования показали, что с 2002 по 2012 год произошло 60 крупных событий, связанных с выпадением электронов. Различные инструменты измерения (см. Ниже) считывают различные средние значения разрушения озона в диапазоне от 5 до 90%. Однако некоторые инструменты (особенно те, которые сообщают более низкие средние значения) не давали точных показаний или пропустили пару лет. Обычно истощение озонового слоя в результате выпадения электронных осадков чаще встречается в зимний период. Самое крупное событие EEP из исследований в период с 2002 по 2012 год было зарегистрировано в октябре 2003 года. Это событие вызвало истощение озонового слоя до 92%. Это длилось 15 дней, а через пару дней озоновый слой полностью восстановился. Исследования разрушения озонового слоя EEP важны для мониторинга безопасности окружающей среды Земли [7] и изменений солнечного цикла.. [6]
Типы [ править ]
Электронные осадки могут быть вызваны ОНЧ волнами от мощных передатчиков связи и грозами. [1]
Вызванное молнией электронное осаждение (LEP) [ править ]
Вызванное молнией высыпание электронов (также называемое LEP) происходит, когда молния поражает Землю. Когда молния ударяет по земле, высвобождается электромагнитный импульс (ЭМИ), который может поразить захваченные электроны в радиационном поясе. Затем электроны вытесняются и «оседают» в атмосфере Земли. [1] Поскольку ЭМИ, вызванное ударами молнии, настолько мощное и возникает в большом диапазоне спектров, известно, что оно вызывает большее количество электронов, чем осаждение, вызванное передатчиком.
Вызванное передатчиком осаждение электронного излучения (TIPER) [ править ]
Чтобы вызвать высыпание электронов, передатчики должны производить очень мощные волны с длинами волн от 10 до 100 км. [3] Военно-морские системы связи часто вызывают вызванное передатчиком осаждение электронного излучения (TIPER), потому что для связи через воду необходимы мощные волны. Эти мощные передатчики работают практически в любое время дня. Иногда эти волны будут иметь точный курс и частоту, необходимые для того, чтобы заставить электрон выпасть из радиационного пояса.
Методы измерения [ править ]
Электронное осаждение можно изучать, используя различные инструменты и методы для расчета его воздействия на атмосферу. Ученые используют анализ наложенных эпох, чтобы учитывать сильные и слабые стороны большого набора различных методов измерения. Затем они используют эти собранные данные для расчета, когда происходит событие EEP и его влияние на атмосферу.
Спутниковые измерения [ править ]
В большинстве случаев спутниковые измерения электронных высыпаний на самом деле являются измерениями истощения озонового слоя, которые затем связываются с событиями EEP. [6] Различные инструменты используют самые разные методы для расчета уровней озона. Хотя некоторые методы могут предоставлять существенно неточные данные, среднее значение всех объединенных данных широко считается точным.
ГОМОС [ править ]
Global Ozone Monitoring по Сокрытию Звезд (GOMOS) является инструментом измерения на борту европейского спутника Envisat. Он измеряет количество озона, используя излучаемый электромагнитный спектр окружающих звезд в сочетании с тригонометрическими расчетами в процессе, называемом звездным затмением . [6]
САБРА [ править ]
Зондирование атмосферы с помощью широкополосной эмиссионной радиометрии (SABRE) - это измерительный инструмент на борту спутника NASA по изучению динамики энергии тепловой ионосферы и мезосферы (TIMED). [8] Прибор измеряет озон (и другие атмосферные условия) с помощью инфракрасного радиометра (со спектральным диапазоном от 1,27 мкм до 17 мкм).
MLS [ править ]
Микроволновая печь Лимб эхолота (МСО) , инструмент на борту спутника Aura меры микроволнового излучения верхних слоев атмосферы Земли. Эти данные могут помочь исследователям определить уровни разрушения озона с точностью до 35%. [6]
MEPED [ править ]
Детектор протонных электронов средней энергии (MEPED) измеряет количество электронов в радиационном поясе Земли и может оценить количество высыпающихся электронов в ионосфере. [6]
Обнаружение субионосферы [ править ]
При подионосферном обнаружении сигнал передается от передатчика СНЧ через радиационный пояс на приемник СНЧ на другом конце. [3] Сигнал VLF вызовет осаждение некоторых электронов, тем самым нарушив сигнал VLF, прежде чем он достигнет приемника VLF на другом конце. Приемник VLF измеряет эти возмущения и использует данные для оценки количества выпавших электронов.
ПАЙПЕР [ править ]
PIPER - это изготовленный в Стэнфорде фотометр, специально разработанный для улавливания фотонов, излучаемых при ионизации в ионосфере. [1] Исследователи могут использовать эти данные для обнаружения событий EEP и измерения количества выпавших электронов.
Рентген [ править ]
Рентгеновское оборудование может использоваться вместе с другим оборудованием для измерения электронного осаждения. [1] Поскольку рентгеновские лучи испускаются во время столкновений электронов, рентгеновские лучи, обнаруженные в ионосфере, могут быть коррелированы с событиями EEP.
VLF Remote Sensing [ править ]
ОНЧ-дистанционное зондирование - это метод мониторинга высыпания электронов путем мониторинга ОНЧ-передач ВМС США для "событий Труми" (большие изменения фазы и амплитуды волн). [1] Хотя этот метод может контролировать высыпание электронов, он не может контролировать ионизацию указанных электронов.
История [ править ]
Джеймс Ван Аллен из Университета штата Айова со своей группой были первыми, кто использовал транспортные средства с датчиками для изучения потоков электронов, выпадающих в атмосферу с помощью ракет- носителей . Ракеты будут достигать максимальной высоты 50 км. Обнаруженное мягкое излучение было позже названо в честь Ван Аллена в 1957 г. [9]
Следующее продвижение в исследованиях электронного преципитации было выполнено Винклером с его группой из университета Миннесоты. Они использовали воздушные шары, которые переносили детекторы в атмосферу. [9]
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d e f g h "Наземные наблюдения индуцированного молнией электронного осаждения | Стэнфордская группа сверхнизких частот" . vlf.stanford.edu . Проверено 19 октября 2015 .
- ^ а б Восс, HD; Imhof, WL; Walt, M .; Mobilia, J .; Gaines, EE; Рейган, JB; Инан, США; Хелливелл, РА; Карпентер, DL (1984-12-20). «Вызванное молнией высыпание электронов». Природа . 312 (5996): 740–742. Bibcode : 1984Natur.312..740V . DOI : 10.1038 / 312740a0 .
- ^ a b c d "Вызванное передатчиком осаждение электронов радиационного пояса | Стэнфордская группа сверхнизких частот" . vlf.stanford.edu . Проверено 21 октября 2015 .
- ^ a b "Дождь электронов!" . GeoSpace . Проверено 26 октября 2015 .
- ^ a b «Мониторинг энергичных электронных осадков | ВВЕРХУ: массив для широкополосных наблюдений за излучениями ОНЧ / КНЧ» . www.ucalgary.ca . Проверено 21 октября 2015 .
- ^ a b c d e f Андерссон, Мэн; Verronen, PT; Роджер, CJ; Клилверд, Массачусетс; Сеппяля, А. (2014-10-14). «Отсутствующий драйвер в соединении Солнца и Земли из-за высыпания энергичных электронов воздействует на мезосферный озон» . Nature Communications . 5 : 5197. Bibcode : 2014NatCo ... 5.5197A . DOI : 10.1038 / ncomms6197 . PMC 4214406 . PMID 25312693 .
- ^ «Информация о разрушении озонового слоя, Факты истощения озонового слоя, Озоновый слой, Озоновая дыра - National Geographic» . National Geographic . Проверено 26 октября 2015 .
- ^ "SABRE - Зондирование атмосферы с использованием широкополосной эмиссионной радиометрии" . saber.gats-inc.com . Проверено 1 ноября 2015 .
- ^ а б "1966ССРв .... 5..311Б Стр. 311". Bibcode : 1966SSRv .... 5..311B . Цитировать журнал требует
|journal=( помощь )
