Предложена математическая модель учёта бесконтактного нагрева электронов дальнодействующим электрическим полем в области заряженных структур, в частности в верхних слоях атмосферы отрицательно заряженной Земли. По соотношению Эйнштейна-Смолуховского (вернее Нернста-Таунсенда) впервые на базе экспериментальных значений плотности числа частиц воздуха - N аналитически рассчитан возможный профиль температуры - Te электронов в мезосфере и ионосфере, в зависимости от заряда Земли и расстояния до её поверхности. Установлено, что на высотах порядка 36 км над поверхностью отрицательно заряженной до 500 000 Кл Земли параметр E/N достигает пробойных значений (100 Тд), и, следовательно, на этих высотах загорается самостоятельный разряд. На этих высотах может развиваться компенсационный слой положительного объёмного заряда (стоячая ударная волна электрического поля). Там же в процессах рождения плазмы важны процессы прямой ионизации частиц воздуха электронами в электрическом поле отрицательно заряженной Земли. Расчёты параметров электронов в атмосфере и ионосфере сравниваются с имеющимися экспериментальными наблюдениями. На базе математической модели впервые аналитически получен для мезосферы и ионосферы отрицательно заряженной Земли профиль (от высоты над уровнем моря) концентрации электронов ne. Сравнение этих результатов с экспериментальными наблюдениями показывает, что переходные профили концентрации электронов в мезосфере и ионосфере Земли определяются процессами амбиполярного дрейфа, обусловленного различными зависимостями дрейфовых скоростей электронов и ионов от напряжённости электрического поля. Полученные результаты представляют практический интерес для разработчиков таких систем как ГЛОНАСС и GPS.
A mathematical model is proposed for taking into account contactless heating of electrons by a long-range electric field in the region of charged structures, in particular, in the upper layers of the atmosphere of the negatively charged earth. Based on the Einstein-Smoluchowski (or rather Nernst-Townsend) relation, Te = e ⋅ De/μeα(E/N)0.86, we used the experimental values of the particle number density of air, N, to calculate for the first time a possible temperature profile of electrons, Te, in the mesosphere and ionosphere as a function of the charge of the Earth and the distance to its surface. It is found that at altitudes of about 36 km above the Earth surface negatively charged up to 500 000 C, the E/N parameter reaches breakdown values (100 Td), and, therefore, a self-sustained discharge is initiated up at these altitudes. At these altitudes, a compensation layer of a positive space charge can develop (standing electric field shock wave). The processes of direct ionization of air particles by electrons in an electric field of the negatively charged earth are also important in plasma production processes. Calculations of the parameters of electrons in the atmosphere and the ionosphere are compared with the available experimental data. On the basis of a mathematical model, the profile (from height above sea level) of the electron concentration ne is obtained analytically for the first time for the mesosphere and ionosphere of the negatively charged earth. Comparison of these results with experimental observations shows that the transition profiles of the electron concentration in the mesosphere and the Earth’s ionosphere are determined by the processes of ambipolar drift caused by different dependences of the drift velocities of electrons and ions on the electric field intensity. The results are of practical interest for developers of such systems as GLONASS and GPS.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.