Ионосфера. Часть 2. Методы исследования ионосферы

Продолжение статьи об ионосфере. Начало — часть 1.

Ионосфера отражает радиоволны. А значит — исследовать ее можно путем эхолокации, направляя электромагнитные волны определенной частоты и измеряя затем характеристики отражённого сигнала.

Ионосфера начинается на высоте 60-70 км. Её максимум (самый плотный электронный слой) находится на высоте примерно в пределах 250-400 км (в зависимости от условий). Здесь концентрация электронов максимальна и достигает 1·10— 5·106 см3. С укорочением длины (с увеличением частоты) радиоволны отражаются от ионосферы на большей высоте, а при некотором значении частоты — перестают отражаться, выходя во внешнюю часть ионосферы, а затем — за пределы Земли. Поэтому ультракороткие волны (УКВ) не задерживаются ионосферой около Земли. Вместе с тем УКВ и волны сантиметровой длины (сверхвысокой частоты, СВЧ), излучаемые с космических аппаратов (КА), проходят на Землю свободно, однако отнюдь не беспрепятственно. Они теряют часть энергии в ионосфере, искривляют в ней свой путь; уширяется спектр частот переносимых ими сигналов, изменяется время их распространения.

h1
Страница статьи д.ф.-м.н. Я.Л. Альперта

До запуска искусственных спутников Земли (ИСЗ) основная информация о характере ионизации ионосферы и других ее свойств была получена с помощью радиоволн, отражаемых от ионосферы, а не проходящих через неё. Таким образом изучалась (и то с недостаточной полнотой) лишь нижняя часть ионосферы, гораздо ниже высоты её главного максимума. Данных об областях ионосферы, лежащих выше максимума электронной концентрации, фактически не было. Именно после запуска спутников начались непосредственные исследования внешней ионосферы; спутники главным образом и привели к тем данным, которые мы имеем теперь.

Источник — Альперт Я.Л. Ионосфера, радио, искусственные спутники Земли. Земля и Вселенная. Научно-популярный журнал Академии наук СССР, 1966 г., №1 (журнал есть в Интернете в формате PDF — прим. ред.).

В сборнике «Труды института прикладной геофизики имени академика Е.К. Фёдорова» (вып 87, «Радиозондирование ионосферы спутниковыми и наземными ионозондами», 2008 г.) собраны работы профессора Н.П. Данилкина, а весь выпуск посвящён его 70-летнему юбилею. Этот учёный всю жизнь посвятил исследованию ионосферы. В сборнике рассказывается о методах, которые используются при исследовании ионосферы, математической обработке, а также о некоторых приключениях, связанных с исследованиями. Так, например, интересны описания арктических экспедиций, исследований во время затмения, а также замеров с борта орбитальной станции «Мир».

Что происходит с ионосферой во время солнечного затмения? Оказывается, происходит перераспределение её электронной плотности — возможно, именно так она может влиять на психологическое состояние человека. Известны множество случаев, когда народы и племена традиционного общества испытывали иррациональный ужас перед затмением.

Наука не изолирована от социальных потрясений. К 1991 году трудами больших коллективов в Москве, Ростове-на-Дону, Днепропетровске и Харькове были подготовлены 4 бортовых ионозонда для постановки на космические аппараты типа АУОС (автоматические универсальные орбитальные станции), которые хорошо себя зарекомендовали в предшествующих работах. Они планировали с 1992 года начать систематические наблюдения глобальной ионосферы Земли. Однако в 1991 году финансирование резко прекратилось — лишь получилось (к счастью!) договориться об эксперименте на станции «Мир».

В исследованиях ионосферы используется вертикальное (ВЗ), наклонное (НЗ), возвратно-наклонное (ВНЗ), внешнее (ВнЗ) и трансионосферное зондирование (ТИЗ). Первые два способа осуществляются с поверхности Земли, ВнЗ — со спутников, а в ТИЗ участвует земная антенна и спутник, при этом спутник передаёт сигнал, а Земля ловит. Есть ещё метод дисперсионной интерферометрии на больших геофизических ракетах «Вертикаль». Профили, полученные этим методом, по мнению Данилкина, являются и на сегодня наиболее точными, но и самыми дорогими. Так, эти эксперименты не повторялись уже 20 лет и у автора нет надежды, что они еще когда-либо повторятся.

Развитие техники радиозондирования ионосферы с момента ее появления и по настоящее время шло, в основном, по экстенсивному пути: происходило наращивание числа методов радиозондирования и измеряемых параметров радиосигнала. Благодаря этому получен колоссальный объём информации. Вместе с тем обогатились и углубились наши представления о ближайшем космическом окружении нашей планеты. Стало ясно, что одной из важнейших характеристик ионосферы является её неоднородная структура в средних и мелких масштабах. Может ли радиозондирование послужить надежным источником информации о неоднородной структуре ионосферы? Ответ на этот вопрос чрезвычайно важен потому, что радиозондирование принадлежит к числу наиболее простых, доступных, а, значит, наиболее массовых средств изучения ионосферы.

В статье дан положительный ответ на этот вопрос. Радиозондирование вступает в фазу интенсивного развития, когда информация о новых ионосферных параметрах будет получена на основе более полного понимания механизмов связи между процессами, протекающими в верхних слоях атмосферы, и свойствами радиосигналов (Цитирование авторов: Данилкин, Заботин, 1994).

В 1999 г были получены первые ионограммы со станции «Мир». Это было новым шагом, учёные смогли увидеть то, что не удалось рассмотреть при запусках ракет. А именно — они обнаружили неоднородности дисковой формы в ионосфере на низких орбитах, как раз на высоте, где была станция «Мир» (340-390 км). Размеры таких дисков — около 1000 км в диаметре. Появились две гипотезы об их строении:

  1. Это система отдельных неоднородностей ионосферы замкнутой формы, напоминающая отдельные облака в тропосфере Земли;
  2. Это система вложенных друг в друга неоднородностей замкнутой формы с постоянно увеличивающейся электронной концентрацией.

Продолжение следует…

Автор Екатерина Шклавцова 11 Articles

Самарская формирующаяся ячейка НКК

1 Kомментарий

  1. Видишь, дорогой читатель, что произошло с нашей Родиной? Поколения наших дедов и отцов создали научный потенциал такой силы, что изучение Земли продолжалось и после того, как в 1990-е начался массовый уход людей из науки — куда угодно, лишь бы платили…

    Людям науки — настоящим учёным — не нужны были деньги на праздный образ жизни. Им нужны были — и нужны до сих пор! — деньги на экспедиции, на лаборатории, на эксперименты, на выставки, наконец. Государству это не слишком нужно — конечно, если речь не идёт о прибыльных проектах. Поэтому учёные «крутятся, как могут». Поэтому у нас археологи копают курганы за деньги, а потом на этом месте важные дядьки строят особняки (http://zastava-nkk.ru/arheologicheskij-trudoden-kak-my-iskali-kurgany/). Так и с ионосферой — может быть, эти открытые со станции «Мир» заряженные области могли стать источником бесплатной энергии, как Тесла мечтал. Но сорвалось.

    15 июня 2000 года станцию «Мир» покинул последний космонавт, а 23 марта 2001 года станция была затоплена в Тихом океане. А на МКС ничего подобного, похоже, нет — нет ионозонда, как на модуле «Природа». Есть вот что — http://www.mcc.rsa.ru/exp_exp.htm

Оставить комментарий