Szporadikus E r´ eteg

Mivel a vizsg´alatok sz´amottev˝o h´anyada a zivatarok ´es a szporadikus E r´eteg k¨oz¨otti csatol´asi mechanizmusokra ir´anyul, ez´ert ezen ionoszf´erikus r´eteg tulajdons´agait ´es ki-alakul´as´at r´eszletesebben fejtem ki. A szporadikus E r´eteg (Sporadic E layer, Es) az E r´eteg magass´ag´aban (f˝ok´ent 95 ´es 120 km k¨oz¨ott) sz´orv´anyosan megjelen˝o, a k¨ ornye-zet´en´el nagyobb elektrons˝ur˝us´eg˝u, nagy horizont´alis kiterjed´es˝u, igen v´ekony (0,6–2 km) plazmafelh˝okb˝ol ´all. A szporadikus E r´eteg elektrons˝ur˝us´ege gyakran meghaladja az E r´eteg´et, s˝ot n´eh´any esetben m´eg az F r´eteg legnagyobb elektrons˝ur˝us´eg´en´el is nagyobb lehet, emiatt nagy hat´assal van a r´adi´ohull´amok terjed´es´ere, ´es ´ıgy az ˝urid˝oj´ar´as egy fon-tos eleme. A szporadikus E r´eteg minden sz´eless´egi tartom´anyon jellemz˝o, a m´agneses egyenl´ıt˝ot˝ol eg´eszen a sark¨ovekig. K¨ozepes sz´eless´egeken a szporadikus E r´etegnek 4 t´ıpus´at k¨ul¨onb¨oztetj¨uk meg:

• Magas (High Es) – h > 110 km

• Az E r´eteg maxim´alis elektrons˝ur˝us´eg´evel egyez˝o magass´ag´u (Cusp Es) – h ∼ 110 km

• Alacsony (Low Es) – h < 100 km

• Ejszakai (Flat Es) – a magass´´ ag nem fontos ebben az esetben

Kialakul´asa – sz´elny´ır´as elm´elet. A szporadikus E r´eteg kialakul´as´anak legelfoga-dottabb elm´elet, az ´un. sz´elny´ır´as elm´eletet m´eg Whitehead ´ırta le a hatvanas ´evek elej´en [Whitehead, 1961]. Ez az elm´elet f˝ok´ent k¨ozepes f¨oldrajzi sz´eless´egeken magyar´azza a jelens´eg kialakul´as´at. Alapja, hogy a semleges l´egk¨orben uralkod´o sz´elir´any, de leg-ink´abb annak a kelet-nyugati komponense a magass´aggal v´altakozik (11. ´abra). A sz´elny´ır´as befoly´asolja az ionok mozg´as´at (ionkonvergenci´at okoz), amely a r´eszecske ´es elektrom´agneses sug´arz´as ´altal l´etrehozott t¨olt¨ott r´eszecsk´ek ´ujrarendez˝od´es´et eredm´enyezi, a k¨ornyezet¨ukn´el nagyobb elektrons˝ur˝us´eg˝u felh˝oket kialak´ıtva ez´altal.

11. ´abra. A semleges k¨ozeg mozg´asi sebess´eg´enek ´es ir´any´anak a v´altoz´asa a magas´aggal az als´o ionoszf´er´aban [Bencze, 1970].

A r´eteget alak´ıt´o folyamatot az ionok dinamik´aja, mozg´asa uralja, amit megfelel˝o m´odon az ionokra vonatkoz´o egyszer˝us´ıtett mozg´asi egyenlettel adhatunk meg. Ha az E r´eteg magass´ag´aban elhanyagoljuk a nyom´as gradienst (diff´uzi´ot), az elektromos er˝ot ´es a gravit´aci´os er˝ot, akkor az ionok mozg´as´at csak a semleges r´eszecsk´ekkel val´o ¨utk¨oz´es¨uk

´

es a Lorentz-er˝o befoly´asolja:

m_iν_i(v_i−U_n)−e(v_i×B) = 0, (6) ahol m_i ´es ν_i az ionok t¨omege ´es az ionok semleges r´eszecsk´ekkel val´o ¨utk¨oz´esi frek-venci´aja, v_i ´es U_n az ionok mozg´asi, illetve a semleges r´eszecsk´ek (sz´el) sebess´ege, e az elektromos t¨olt´es, B pedig a m´agneses vektor. Descartes-f´ele koordin´ata-rendszert v´eve (x,y,z), ahol x a geom´agneses d´el, y a geom´agneses kelet, z pedig a f¨ugg˝oleges ir´anyt jel¨oli, valamint a vektorokat a k¨ovetkez˝o alakban megadva: v_i(u, v, w) ´es U_n(U, V, W), B(−BcosI,0,−BsinI) a felfel´e sodrod´o ionokra a mozg´asegyenlet (6) megold´asa a k¨ ovet-kez˝o:

w= (ν_i/ω_i)cosI

1 + (ν_i/ω_i)²V + cosIsinI

1 + (ν_i/ω_i)²U =f_znV +f_mrU. (7) Itt I a m´agneses inklin´aci´ot (m´agneses lehajl´as) jel¨oli, m´ıg ν_i/ω_i az ¨utk¨oz´esi frekven-cia ´es az ionok girokfrekvenci´aj´anak az ar´anya (Giro- vagy ciklotron-frekvencia a t¨olt¨ott r´eszecske m´agneses er˝ovonal, mint tengely k¨or¨uli kering´es´enek k¨orfrekvenci´aja: ω = ^eB_m), ami a magas´aggal v´altozik az ¨utk¨oz´esi frekvencia magas´aggal val´o cs¨okken´ese k¨ ovet-kezt´eben. A semleges sz´el f¨ugg˝oleges ir´any´u komponense elhanyagolhat´o, azaz W ' 0.

A jobb oldalon tal´alhat´o f_zn ´es f_mr dimenzi´o n´elk¨uli param´eterek a zon´alis ´es meridi-on´alis ion mozgat´asi egy¨utthat´okat jel¨olik. Ami a zon´alis (V) ´es meridion´alis (U) sz´elhez kapcsol´od´o az ionok f¨ugg˝oleges mozg´as´at l´etrehoz´o k´et folyamathoz tartozik.

A zon´alis sz´elny´ır´as-mechanizmus l´athat´o a 12 a.) ´abr´an. Ez a m´agneses t´er hori-zont´alis komponens´et (B_H = BcosI) ´es a nyugati (fel¨ul) illetve keleti (alul) sz´elny´ır´as hat´as´ara bek¨ovetkez˝o ionkonvergenci´at foglalja mag´aban. Mivel az ionok a sz´el hat´as´ara nyugati ir´anyba sodr´odnak (fel¨ul), ´ıgy a r´ajuk hat´o Lorentz-er˝o lefel´e tereli ˝oket, m´ıg alul pont ford´ıtva. Vagyis az ionok a sz´elny´ır´as nullpontja fel´e ir´anyulnak, (ahol V = 0), ott felhalmoz´odva ´es a k¨ornyez˝on´el nagyobb s˝ur˝us´eg˝u r´eteget k´epezve ez´altal.

A 12 b.) ´abr´an a meridion´alis sz´elny´ır´as alapja l´athat´o, ahol a sz´el fel¨ul ´eszaki, alul pedig d´el ir´any´u (az ´eszaki f´eltek´en). Itt a sz´el v´ızszintes ir´anyban tereli az ionokat, mik¨ozben a r´ajuk hat´o Lorentz-er˝o a ferde m´agneses er˝ovonalak menti kering´esre k´eszteti

˝

oket. Ennek eredm´enyek´ent az ionok v´eg¨ul a m´agneses t´er ment´en mozognak U_northcosI sebes´eggel a sz´elny´ır´as nullpontja fel´e (U = 0), ahol egy r´eteget alak´ıtanak ki ez´altal.

Az elektronok a m´agneses er˝ovonalak ment´en mozognak, mivel ω_e >> ν_e, ´ıgy r´ajuk nem hat k¨ozvetlen¨ul a semleges sz´el, azaz r´ajuk nem ´erv´enyes az im´ent t´argyalt me-chanizmus. Az elektronok a Coulomb er˝onek megfelel˝oen az ionokat k¨ovetve mozognak a m´agneses er˝ovonalak ment´en, ´ıgy fenntartva a plazma semlegess´eg´et (kv´azi-neutralit´as´at).

A szporadikus E r´eteg az ´ejszakai ´or´akban is fennmaradhat, hossz´u ´elettartam´at a benne felhalmozott meteor-eredet˝u, lassan rekombin´al´od´o f´emionoknak k¨osz¨onheti. Az Es plazmas˝ur˝us´ege k¨ozepes sz´eless´egeken ´evszakos ´es napi v´altoz´ast is mutat (13. ´abra).

12. ´abra. A zon´alis (fel¨ul) ´es a meridion´alis (alul) sz´el ny´ır´as hat´as´ara bek¨ovetkez˝o f¨ugg˝oleges ion mozg´as mechanizmus´anak v´azlatos ´abr´aja [Haldoupis, 2011].

13. ´abra. A szporadikus E r´eteg ´atlagos plazmas˝ur˝us´eg´et jelz˝o, fbEs param´eter szezon´alis

´

es napi v´altoz´asa k¨ozepes sz´eless´egeken [Rawer, 1962].