Ионосферная станция (ионозонд)

Что такое ионосферная станция!


В предыдущих статьях, где описывались основные свойства ионосферы, мы уже говорили о прямых методах изучения ионосферной плазмы с помощью приборов, устанавливаемых на геофизических ракетах и искусственных спутниках Земли. У этих методов имеются не только свои неоценимые достоинства, но и свои ограничения и недостатки.

До настоящего времени подавляющее большинство экспериментальных даннах об ионосфере получено радиометодами. Те самые радиоволны, которые отражаются и поглощаются ионосферой, несут в себе информацию о той области, через которую они прошли или от которой отразились.

Самым распространенным инструментом исследования ионосферы стал радиолокатор специального назначения, или, как его часто называют, ионосферная станция (ионозонд). Именно этот прибор позволил нам задолго до запуска человека и приборов в космос, «дотянуться» до верхней атмосферы, заглянуть внутрь «волшебного зеркала», узнать, как оно устроено, понять основы управляющих им физических процессов.

Ионосферная станция, как и всякий радиолокатор, состоит из следующих основных частей: радиопередатчика, передающей антенны, приемной антенны, радиоприемника, регистратора. Задача обычного радиолокатора — обнаружить цель (скажем, самолет), измерить расстояние до нее и скорость ее перемещения.

Для ионосферной станции «целью» является ионизированный слой. А основная задача состоит в измерении распределения количества свободных электронов с высотой, получении вертикального профиля электронной концентрации.

Передатчик станции излучает радиоволны не непрерывно, а в виде коротких импульсов. Длительность таких импульсов — не более 100 мкс, то есть одной десятитысячной доли секунды- А частота повторения импульсов — 50 Гц. Это значит, что каждую секунду передатчик включается и выключается 50 раз. Время между импульсами, когда передатчик молчит, во много раз больше, чем время излучения. Это нужно для того, чтобы дать возможность излученному импульсу дойти до «цели» и, отразившись от нее, вернуться в радиоприемник, установленный здесь же, возле передатчика.

Передающая антенна станции сконструирована так, что излучение идет прямо в зенит, вертикально вверх. Передатчик посылает вверх одну за другой короткие «очереди» радиоволн, а приемник, подключенный к антенне, во время паузы улавливает радиосигналы, вернувшиеся после отражения от ионосферы. Отметив время старта и финиша волн, побывавших в «космическом рейсе», можно подсчитать высоту расположения отражающего ионосферного слоя. Ведь скорость распространения радиоволн в воздухе близка к скорости света (300 тыс. км/с). Поэтому, если время между посланным и вернувшимся импульсом равно, скажем, 0,001 с, значит, путь туда и  обратно составляет  300  км, то есть  высота отражающего слоя 150 км. На самом деле, строго говору часть пути радиоимпульс проходит не в воздухе, а в самой ионосферной плазме, где его скорость меньше. Не считаясь с этим обстоятельством, мы несколько завышали результат. Однако имеются специальные способы расчета необходимых поправок и точной оценки высоты отражения.

Итак, приняв отраженный сигнал, мы зафиксировали сам факт наличия ионосферного слоя (обнаружили «цель») и подсчитали по времени между моментом излучения и моментом приема высоту ионосферы. А сколько там электронов? Теоретический расчет показывает, что электронная концентрация в области отражения (N) и частота вертикально падающей на эту область радиоволны (f) связаны очень простым соотношением: f ~ 80,8ЛЛ Эта простая формула говорит нам, что, зная частоту (в кГц) отраженной радиоволны, мы сразу можем подсчитать количество электронов в 1 см3 ионосферной плазмы, именно в том месте, откуда отразилась радиоволна. К примеру, пусть частота отраженной радиоволны— 10 тыс. кГц. Тогда концентрация электронов в области отражения будет равна примерно 1,2 млн см-3. Особенность ионосферной станции состоит в том, что облучение ионосферы ведется не на одной какой-то фиксированной, постоянной частоте, а длина волны все время меняется. За одну минуту пробегается большой диапазон от длины волны 600 м (частота 500 кГц) до 15 м (частота 20 тыс. кГц). Для чего это делается? Мы уже знаем, что чем короче волна, тем глубже она проникает в ионосферу, отражаясь от все более богатых электронами слоев. Меняя длину волны, мы можем убедиться, что длинные волны отражаются от нижних слоев ионосферы (частоте 500 кГц соответствует концентрация примерно 2500 см~3 и высота отражения около 100 км), а короткие волны — от ее верхних слоев.

Всякий раз, постепенно уменьшая длину волны, оператор убеждается, что на какой-то частоте отражение исчезает. Что это значит? Видимо, мы «нащупали» то место, где находится в данный момент максимум электронной концентрации. Для более коротких волн, чем та, на которой отражение наблюдалось последниий раз, электронов для отражения уже не хватает. Эти волны пронизывают ионосферу насквозь и уходят в космос навсегда.  Такая частота называется критической.

Итак, измеряются-то характеристики радиоволны (частота и временная задержка), а рассчитываются уже характеристики ионосферы (электронная концентрация и высота, ей соответствующая). Посылаемая вверх радиоволна — это вопрос, заданный нами природе, а волна, возвращенная из заоблачных высей,— ответ на наш вопрос!

На экране регистратора ионосферной станции электронный луч рисует характерную кривую зависимости высоты отражения от частоты радиоволны. Она так и называется — высотно-частотная характеристика, или «ионограмма». Вы видите ионограмму на рисунке. По горизонтальной оси отложена частота «зондирования» ионосферы, по вертикальной оси — высота отражения. По ионограмме можно определить положение основных ионосферных слоев и рассчитать вертикальный профиль электронной концентрации.

В современных ионозондах с помощью «умной электроники» ионограмму получают на экране электронно-лучевой трубки вместе с координатной сеткой, как на телевизионном экране. Экран трубки обладает длительным послесвечением, а изображение можно наблюдать непосредственно и фотографировать кинокамерой.

Вид конкретной ионограммы зависит, во-первых, от координат места наблюдения, а во-вторых — от конструкции ионозонда. На монограммах часто видны не только отражения радиоволн от ионосферных слоев, но и более сложные радиосигналы. Если мощность передатчика достаточно велика, а диапазон «высотной развертки» рассчитан на несколько тысяч километров, то можно наблюдать многократные отражения радиоволны от ионосферы. Наличие неоднородностей в ионосфере тоже немедленно проявляется на ионограммах в виде характерных размытых или «диффузных» радиоотражений. Короче говоря, опытный оператор может получить много интереснейшей информации, внимательно рассматривая своеобразный портрет ионосферы — ионограмму. Существует специальная международная инструкция по обработке и интерпретации ионограмм» переведенная на основные языки мира, публикуются атласы ионограмм, полученных мировой сетью станций.

Кстати, позвольте вспомнить еще один забавный эпизод из истории физики ионосферы. По международной инструкции, предписывающей стандартные правила обработки ионограмм и заполнения соответствующих таблиц для международного обмена данными, если по какой-либо причине сеанс наблюдений не состоялся, то в соответствующей графе таблицы ставится индекс «С», третья буква латинского алфавита. Почему именно С? Современные обработчики этого и не знают. А дело в том, что первые ионозонды появились в Англии, и антенные сооружения были построены на лугу, где паслись коровы. И иногда они рвали оттяжки, крепящие антенную мачту. Работа ионозонда нарушалась, и оператор в качестве причины аварии ставил в аппаратный журнал слово «корова» (по-английски «cow») или просто первую букву этого слова — «С». Вот так эта буква и стала обычным символом отсутствия данных измерений из-за отказа аппаратуры.

В периоды организации активных научных исследо-раний в области солнечно-земной физики около 300 ионосферных станций, разбросанных по всем континентам, тщательно изучали радиозеркало планеты. Днем и ночью, каждые 15 минут, одновременно из сотен мест — от Северного полюса до ледяной Антарктиды —- в космос устремляются радиоволны, прощупывающие ионосферу. Советские ионосферные обсерватории работают на побережье Ледовитого океана и в Туркмении, в Прибалтике и на Камчатке, на Урале и в Антарктиде. Данные измерений с наземных станций, исследовательских судов и спутников по специальным линиям связи стекаются в прогностические центры, где их внимательно изучают и составляют прогноз условий радиосвязи, который нужен и связистам, и морякам, и летчикам, и космонавтам. Располагая данными об ионосфере, можно не только составлять расписание рабочих частот на радиотрассах, но и на научной основе проектировать передатчики, антенны различных типов для приема и передачи.

Один крупный американский ученый как-то подсчитал, что благодаря сведениям, накопленным в результате исследования ионосферы, во всем мире сэкономлено несколько сот миллионов долларов. Трудно, конечно, сказать, насколько точна эта цифра, да и научные достижения не так-то просто измерить деньгами. Но несомненно, что систематическое изучение свойств верхней атмосферы даст и уже дает очень много и науке, и практике.

Ионозонд на Земле, к сожалению, может исследовать только ту часть ионосферы, которая расположена ниже главного максимума, то есть до высоты 300—350 км. Получить радиоотражения с больших высот для обычной ионосферной станции невозможно. А как исследовать верхнюю часть ионосферы? Как только появились искусственные спутники Земли, появилась и мысль об установке на борту спутника ионосферной станции, ионозонда. Конечно, орбита такого спутника должна проходить много выше главного максимума ионосферы.

Антенная система будет направлять зондирующие радиоимпульсы вертикально вниз. Ионосферный «эхолот» будет измерять «глубину» ионосферы вдоль всей орбиты спутника. Меняя длину волны, точно так же как и на Земле, можно получать высокочастотную характеристику, ионограмму, и рассчитывать профиль электронной концентрации в интервале высот от главного максимума ионосферы до высоты самого спутника. Надо также создать специальное запоминающее устройство, которое накапливало бы информацию, а в те моменты, когда спутник пролетает над наземной станцией слежения, «сбрасывало» бы ее на Землю. При этом для связи должны, естественно, использоваться радиоволны УКВ диапазона, для которых ионосфера прозрачна.

20 сентября 1962 г. американская ракета-носитель вывела на круговую орбиту спутник канадского производства с ласковым названием «Алуэтт» («Жаворонок»). Высота орбиты составляла около 1000 км, а угол наклона орбиты к плоскости экватора — 80,5°. На борту спутника был установлен ионозонд, и основной целью запуска было измерение электронной концентрации в ионосфере на высотах от 300 до 1000 км. Четырнадцать пунктов наземной телеметрической сети слежения «передавали» спутник друг другу во время полета. Они были расположены на территории Канады, США, Южной Америки, Австралии и в других областях. «Алуэтт» зондировал ионосферу каждые 18 с, то есть каждые 125 км пути, в диапазоне частот 1600—11 500 кГц. Оригинально был решен технический вопрос об антеннах. Ведь длина антенны для успешной ее работы должна составлять десятки километров. Антенны были сделаны из свернутой и намотанной на барабан, размещенный внутри спутника, тонкой стальной ленты. После выведения спутника на орбиту по специальной команде ленты распрямлялись и получались две антенны длиной 46 и 23 м!

«Алуэтт» дал громадное количество интереснейшей информации о поведении ионосферы выше главного максимума. Во время его полета специально работали в учащенном режиме наземные ионозонды, особенно расположенные вдоль проекции орбиты спутника на Землю. Сопоставление их данных с данными спутникового ионозонда представило исследователям уникальную возможность «увидеть» сразу обе части ионосферы — выше и ниже главного максимума, что существенно продвинуло изучение многих физических процессов в ионосфере.

Малогабаритная ионосферная станция для вертикального импульсного зондирования ионосферы была размещена и на борту советского искусственного спутника Земли «Космос-381».

Штатным, как принято говорить, инструментом на борту многих спутников серии «Космос» является специальная радиостанция «Маяк», которая позволяет оценить электронное содержание в столбе от поверхности Земли до спутника и даже в области прохождения спутника. Бортовой передатчик на высоколетящем спутнике излучает на двух-трех частотах. Частота излучения задается с очень большой стабильностью. Наземные же многоканальные приемники — сложные, узкополосные, помехоустойчивые устройства — принимают излучение со спутника и сравнивают фазу сигнала на разных частотах. Разность частот регистрируется с точностью до малой доли герца.


Казимировский Э. С.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: