Электронное осаждение

Электронные высыпания (также называемые высыпаниями энергичных электронов или EEP ) — это атмосферное явление, которое возникает, когда ранее захваченные электроны попадают в атмосферу Земли , создавая тем самым помехи в связи и другие нарушения. ^{[ 1 ]} Электроны, захваченные спиралью магнитного поля Земли вокруг силовых линий, образуют радиационный пояс Ван Аллена . Электроны исходят от солнечного ветра и могут оставаться в ловушке над Землей в течение неопределенного периода времени (в некоторых случаях лет). Когда широкополосные волны очень низкой частоты (ОНЧ) распространяются по радиационным поясам, электроны покидают радиационный пояс и «осаждаются» (или перемещаются) в ионосферу (область атмосферы Земли), где электроны сталкиваются с ионами . ^{[ 2 ]} Электронные выпадения регулярно связывают с разрушением озона . Причиной этого часто являются удары молнии .

Процесс

электрона Гирочастота — это количество оборотов электрона вокруг силовой линии. ^{[ 1 ]} Волны ОНЧ, распространяющиеся через магнитосферу , вызванные молниями 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» (поскольку он не сможет снова войти в радиационный пояс) по всей атмосфере и ионосфере Земли. ^{[ 2 ]}

Часто при выпадении электрона он направляется в верхние слои атмосферы, где может столкнуться с нейтральными частицами, истощая таким образом энергию электрона. ^{[ 3 ]} Если электрон пройдет через верхние слои атмосферы, он продолжит путь в ионосферу. Группы выпавших электронов могут изменить форму и проводимость ионосферы, сталкиваясь с атомами или молекулами (обычно частицами на основе кислорода или азота). ^{[ 4 ]}) в регионе. ^{[ 5 ]} При столкновении с атомом электрон лишает атом остальных электронов, образуя ион. Столкновения с молекулами воздуха также высвобождают фотоны , которые создают тусклый эффект « полярного сияния ». ^{[ 4 ]} Поскольку это происходит на такой большой высоте, люди в самолетах не подвергаются воздействию радиации. ^{[ 3 ]}

Процесс ионизации, вызванный высыпанием электронов в ионосферу, увеличивает ее электропроводность, что, в свою очередь, опускает нижнюю часть ионосферы на меньшую высоту. ^{[ 5 ]} Когда это происходит, происходит истощение озона , и некоторые коммуникации могут быть нарушены. ^{[ 1 ]} Понижение высоты ионосферы носит временный характер (если высыпание электронов не является устойчивым), в то время как ионы и электроны быстро реагируют с образованием нейтральных частиц.

Разрушение озона

Электронные осаждения могут привести к существенной и кратковременной потере озона (около 90%). Однако это явление также коррелирует с некоторым долгосрочным истощением озона. ^{[ 6 ]} Исследования показали, что с 2002 по 2012 год произошло 60 крупных событий выпадения электронов. Различные инструменты измерения (см. ниже) показывают разные средние значения разрушения озона в диапазоне от 5 до 90%. Однако некоторые инструменты (особенно те, которые сообщали о более низких средних показателях) не давали точных показаний или пропускали пару лет. Обычно разрушение озона в результате выпадения электронов чаще встречается в зимний сезон. Крупнейшее событие EEP, зафиксированное в исследованиях в период с 2002 по 2012 год, было зарегистрировано в октябре 2003 года. Это событие вызвало разрушение озона до 92%. Оно длилось 15 дней, а через пару дней озоновый слой полностью восстановился. Исследования разрушения озона EEP важны для мониторинга безопасности окружающей среды Земли. ^{[ 7 ]} и вариации солнечного цикла . ^{[ 6 ]}

Типы

Высыпания электронов могут быть вызваны ОНЧ-волнами от мощных передатчиков связи и грозами. ^{[ 1 ]}

Осаждение электронов, индуцированное молнией (LEP)

Высыпание электронов, вызванное молнией (также называемое LEP), происходит, когда молния ударяет в Землю. Когда молния ударяет в землю, электромагнитный импульс (ЭМИ) высвобождается , который может поразить захваченные электроны в радиационном поясе. Затем электроны вытесняются и «осаждаются» в атмосферу Земли. ^{[ 1 ]} Поскольку ЭМИ, вызванные ударами молний, настолько мощны и возникают в широком диапазоне спектров, известно, что они вызывают больше высыпаний электронов, чем высыпания, индуцированные передатчиком.

Индуцированное передатчиком осаждение электронного излучения (TIPER)

Чтобы вызвать высыпание электронов, передатчики должны создавать очень мощные волны длиной от 10 до 100 км. ^{[ 3 ]} Системы военно-морской связи часто вызывают выброс электронного излучения, вызванный передатчиком (TIPER), поскольку для связи через воду необходимы мощные волны. Эти мощные передатчики работают практически в любое время суток. Иногда эти волны будут иметь точное направление и частоту, необходимые для того, чтобы заставить электрон выпасть из радиационного пояса.

Методы измерения

Электронные высыпания можно изучать, используя различные инструменты и методы расчета их воздействия на атмосферу. Ученые используют анализ наложенных эпох, чтобы принять во внимание сильные и слабые стороны большого набора различных методов измерения. Затем они используют собранные данные для расчета того, когда происходит событие EEP и его влияние на атмосферу.

Спутниковые измерения

В большинстве случаев спутниковые измерения высыпаний электронов на самом деле являются измерениями разрушения озона, которое затем связывают с событиями ВЭП. ^{[ 6 ]} Различные инструменты используют самые разные методы для расчета уровней озона. Хотя некоторые методы могут давать существенно неточные данные, среднее значение всех объединенных данных широко считается точным.

ДЕСНЫ

Глобальный мониторинг озона путем затмения звезд (GOMOS) — это измерительный прибор на борту европейского спутника Envisat . Он измеряет количество озона, используя электромагнитный спектр, излучаемый окружающими звездами, в сочетании с тригонометрическими расчетами в процессе, называемом звездным затмением . ^{[ 6 ]}

ЗНАТЬ

Зондирование атмосферы с использованием широкополосной эмиссионной радиометрии (SABER) — это измерительный прибор, установленный на борту спутника НАСА «Термальная ионосфера, мезосфера, энергетическая динамика» (TIMED). ^{[ 8 ]} Прибор измеряет озон (и другие атмосферные условия) с помощью инфракрасного радиометра (со спектральным диапазоном от 1,27 до 17 мкм).

МЛС

Микроволновой эхолот (MLS) — прибор на борту спутника «Аура» — измеряет микроволновое излучение из верхних слоев атмосферы Земли. Эти данные могут помочь исследователям определить уровни разрушения озона с точностью до 35%. ^{[ 6 ]}

М.Е.П.ЕД.

Детектор протонов-электронов средней энергии (MEPED) измеряет электроны в радиационном поясе Земли и может оценить количество осаждающихся электронов в ионосфере. ^{[ 6 ]}

Субионосферное обнаружение

При субионосферном обнаружении сигнал передается от ОНЧ-передатчика через радиационный пояс к ОНЧ-приемнику на другом конце. ^{[ 3 ]} Сигнал VLF вызовет выпадение некоторых электронов, тем самым нарушая сигнал VLF до того, как он достигнет приемника VLF на другом конце. Приемник ОНЧ измеряет эти помехи и использует данные для оценки количества выпавших электронов.

ПАЙПЕР

PIPER — это фотометр производства Стэнфорда, специально разработанный для улавливания фотонов, испускаемых при ионизации в ионосфере. ^{[ 1 ]} Исследователи могут использовать эти данные для обнаружения событий ВЭП и измерения количества выпавших электронов.

Рентгеновские лучи

Рентгеновское оборудование можно использовать вместе с другим оборудованием для измерения выпадения электронов. ^{[ 1 ]} Поскольку рентгеновские лучи испускаются во время столкновений электронов, рентгеновские лучи, обнаруженные в ионосфере, можно коррелировать с событиями ВЭП.

ОНЧ-дистанционное зондирование

Дистанционное зондирование ОНЧ - это метод мониторинга высыпаний электронов путем мониторинга ОНЧ-передач ВМС США на предмет «событий Труми» (больших изменений фазы и амплитуды волн). ^{[ 1 ]} Хотя этот метод позволяет контролировать осаждение электронов, он не может контролировать ионизацию указанных электронов.

История

Джеймс Ван Аллен из Университета штата Айова со своей группой первыми применили транспортные средства с датчиками для изучения потоков электронов, высыпающихся в атмосфере, с помощью ракет- качалок . Ракеты будут достигать максимальной высоты 50 км. позже Обнаруженное мягкое излучение было названо в честь Ван Аллена в 1957 году. ^{[ 9 ]}

Следующее достижение в исследовании высыпаний электронов было сделано Винклером со своей группой из университета Миннесоты. Они использовали воздушные шары, которые доставляли детекторы в атмосферу. ^{[ 9 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час «Наземные наблюдения высыпаний электронов, индуцированных молниями | Стэнфордская группа VLF» . vlf.stanford.edu . Проверено 19 октября 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б Восс, HD; Имхоф, ВЛ; Уолт, М.; Мобилиа, Дж.; Гейнс, Э.Э.; Рейган, Дж. Б.; Инан, США; Хелливелл, РА; Карпентер, Д.Л. (20 декабря 1984 г.). «Высыпание электронов, вызванное молнией». Природа . 312 (5996): 740–742. Бибкод : 1984Natur.312..740V . дои : 10.1038/312740a0 . S2CID 4302334 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Индуцированное передатчиком осаждение электронов радиационного пояса | Стэнфордская группа VLF» . vlf.stanford.edu . Проверено 21 октября 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Идет дождь из электронов!» . Геокосмос . 14 декабря 2010 года . Проверено 26 октября 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Мониторинг энергетических осаждений электронов | ВЫШЕ: массив для широкополосных наблюдений ОНЧ/СНЧ-излучений» . www.ucalgary.ca . Проверено 21 октября 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Андерссон, Мэн; Верронен, ПТ; Роджер, CJ; Кливверд, Массачусетс; Сеппяля, А. (14 октября 2014 г.). «Отсутствующий драйвер в связи Солнце-Земля из-за высыпаний энергичных электронов влияет на мезосферный озон» . Природные коммуникации . 5 : 5197. Бибкод : 2014NatCo...5.5197A . дои : 10.1038/ncomms6197 . ПМК 4214406 . ПМИД 25312693 .
^ «Информация о разрушении озонового слоя, факты разрушения озонового слоя, озоновый слой, озоновая дыра - National Geographic» . Нэшнл Географик . Архивировано из оригинала 28 сентября 2011 года . Проверено 26 октября 2015 г.
^ «SABER — Зондирование атмосферы с помощью широкополосной эмиссионной радиометрии» . saber.gats-inc.com . Проверено 1 ноября 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б Браун, Р.Р. (1966). «1966ССРв....5..311Б стр. 311». Обзоры космической науки . 5 (3): 311. Бибкод : 1966ССРв....5..311Б . дои : 10.1007/BF02653249 . S2CID 120910695 .

[:1-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час «Наземные наблюдения высыпаний электронов, индуцированных молниями | Стэнфордская группа VLF» . vlf.stanford.edu . Проверено 19 октября 2015 г.

[:0-2] Jump up to: ^а ^б Восс, HD; Имхоф, ВЛ; Уолт, М.; Мобилиа, Дж.; Гейнс, Э.Э.; Рейган, Дж. Б.; Инан, США; Хелливелл, РА; Карпентер, Д.Л. (20 декабря 1984 г.). «Высыпание электронов, вызванное молнией». Природа . 312 (5996): 740–742. Бибкод : 1984Natur.312..740V . дои : 10.1038/312740a0 . S2CID 4302334 .

[:5-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Индуцированное передатчиком осаждение электронов радиационного пояса | Стэнфордская группа VLF» . vlf.stanford.edu . Проверено 21 октября 2015 г.

[:3-4] Jump up to: ^а ^б «Идет дождь из электронов!» . Геокосмос . 14 декабря 2010 года . Проверено 26 октября 2015 г.

[:4-5] Jump up to: ^а ^б «Мониторинг энергетических осаждений электронов | ВЫШЕ: массив для широкополосных наблюдений ОНЧ/СНЧ-излучений» . www.ucalgary.ca . Проверено 21 октября 2015 г.

[:2-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Андерссон, Мэн; Верронен, ПТ; Роджер, CJ; Кливверд, Массачусетс; Сеппяля, А. (14 октября 2014 г.). «Отсутствующий драйвер в связи Солнце-Земля из-за высыпаний энергичных электронов влияет на мезосферный озон» . Природные коммуникации . 5 : 5197. Бибкод : 2014NatCo...5.5197A . дои : 10.1038/ncomms6197 . ПМК 4214406 . ПМИД 25312693 .

[7] «Информация о разрушении озонового слоя, факты разрушения озонового слоя, озоновый слой, озоновая дыра - National Geographic» . Нэшнл Географик . Архивировано из оригинала 28 сентября 2011 года . Проверено 26 октября 2015 г.

[8] «SABER — Зондирование атмосферы с помощью широкополосной эмиссионной радиометрии» . saber.gats-inc.com . Проверено 1 ноября 2015 г.

[:9-9] Jump up to: ^а ^б Браун, Р.Р. (1966). «1966ССРв....5..311Б стр. 311». Обзоры космической науки . 5 (3): 311. Бибкод : 1966ССРв....5..311Б . дои : 10.1007/BF02653249 . S2CID 120910695 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]