Исследования ионосферы

Если бы радиоволны распространялись в абсолютной пустоте, то одновременно излучаемые волны одновременно приходили бы и в точку приема. Однако на пути радиоволн находится ионосферная плазма, а она воздействует на волны разной частоты по-разному. Поэтому разность фаз прошедших через ионосферу колебаний, если она измеряется точно и непрерывно вдоль орбиты спутника, дает информацию о свойствах ионосферы. А чтобы оценить неоднородную структуру ионосферы, надо одновременно с фазой измерять интенсивность принимаемых сигналов, замирания сигналов, о которых мы уже говорили. Изучая записи замираний, можно оценить масштаб неоднородностей (от 500 м до 150 км), градиенты (перепады) электронной концентрации, спектр неоднородностей. Часто неоднородности мелкого масштаба находятся в ограниченных областях ионосферы с горизонтальными размерами от нескольких десятков до нескольких сотен километров.

Следует сказать, что виды и формы «плазменных облаков» не менее разнообразны и причудливы, чем виды обычных облаков в тропосфере. Кто из нас, следя за проплывающими в летнем небе облаками, не поражался их бесконечному разнообразию? Конечно, в ионосфере неоднородности нельзя увидеть, но их форму можно представить, рассчитать по характеристикам радиосигналов, которые этими неоднородностями отражаются, рассеиваются, преломляются. И тогда появляются на страницах научных монографий «портреты» ионосферных неоднородностей — волнистые поверхности типа шиферной крыши, линзы, плавающие эллипсоиды, «пузыри», поднимающиеся над экватором, как пузырьки в стакане с минеральной водой, волокна, перья и т. п. Одни неоднородности вытянуты вдоль силовых линий геомагнитного поля, другие — поперек поля, одни образуются поц действием чисто внутренних процессов в ионосфере, другие — под действием магнитосферы или, наоборот, в результате воздействия снизу — от тропосферы с ее грозами, ураганами, циклонами, извержениями вулканов или землетрясениями. Есть неоднородности, существующие постоянно, а есть — живущие доли секунды.

Своеобразным зондом для исследования космической плазмы служат сверхдлинные радиоволны с длиной волны от нескольких до сотен километров. Их «специальность» — самые нижние слои ионосферы и очень удаленные области приземного космоса, расположенные на расстоянии нескольких земных радиусов. Сверхдлинные волны распространяются между Землей и нижней границей ионосферы, как в гигантском волноводе. Все его пространство заполнено электромагнитным полем, а свойства этого поля, его изменения во времени и в пространстве определяются свойствами стенок волновода, подстилающей поверхности (это пустыни, леса, горы, океаны) и области D ионосферы.

Для сверхдлинных волн магнитные силовые линии являются как бы направляющими, вдоль которых движутся радиосигналы. Проникнув в ионосферу, например в северном полушарии, эти сигналы удаляются вдоль силовой линии в магнитосферу на расстояние 3—4 земных радиусов, а потом по этой же силовой линии опять устремляются к Земле — в зеркальную, или, как иногда говорят, магнитосопряженную точку, но уже в южном полушарии. Сверхдлинноволновые сигналы для зондирования ближнего космоса излучаются специальными передатчиками, которые строятся в тщательно выбранных местах — в зонах полярных сияний, полярных шапках, вблизи экватора. Такие установки с гигантскими антеннами имеются и в Арктике, и в Антарктиде. Но источниками таких же сигналов могут быть самые естественные явления, например молниевые разряды или же построенные человеком линии электропередачи. Прием этих сигналов на Земле и на спутниках дал возможность получить уникальную информацию о взаимодействии потоков заряженных частиц, вторгающихся в магнитосферу и ионосферу, о полях и волнах в космической плазме. Если воспринимать эти преобразованные в радиоприемниках сигналы на слух, то они имеют в наушниках характерное звучание — существуют даже такие научные термины, как «шипения», «свисты», «хоры». Хитроумная аппаратура анализирует спектральный состав сложных сигналов, чтобы дать исследователям возможность судить о физических процессах в тех глубинах плазмы, через которые они пробивались на пути от передатчика к приемнику.

Измерить электронную концентрацию и температуру одновременно во всей толще ионосферы примерно от 150 до нескольких тысяч километров, в принципе, можно, применяя радиолокаторы огромной мощности, работающие в диапазоне метровых и сантиметровых волн. Идея таких измерений возникла в конце 50-х годов, когда на вооружении появились радары, излучающие импульсы мощностью в миллионы ватт.

Физическая основа метода такова. Каждый электрон, когда на него падает электромагнитная волна, некоторую часть энергии этой волны рассеивает во все стороны, в том числе и в направлении, откуда пришла падающая на него волна. Доля рассеянной энергии ничтожно мала по сравнению с энергией, приходящей к электрону волны, поэтому этот эффект рассматривался в физике чисто теоретически или в приложении только к лабораторным опытам. По имени известного английского физика Дж. Дж. Томсона само явление названо томсоновским рассеянием или — более научно — некогерентным рассеянием. Слово «некогерентный» означает, что каждый электрон рассеивает энергию самостоятельно, беспорядочно в отличие, скажем, от зеркального отражения радиоволн, когда энергия отражается от плазменного объема «когерентно» и все заряженные частицы действуют согласованно, одновременно.

При некогерентном рассеянии от многих электронов энергия, рассеянная каждым из них, просто складывается. Из лабораторных измерений давно известно, сколько энергии рассеивает один электрон (это величина, определяемая зарядом электрона, его массой и углом между падающей и рассеянной волной). Поэтому если бы удалось как-нибудь измерить энергию, рассеянную некоторым объемом ионосферной плазмы, то осталось бы только разделить измеренную величину на ту, которую мы знаем из лабораторных измерений, и тогда сразу же можно было бы определить количество электронов в ионосфере, то есть электронную концентрацию.

Вот радиолокатор и измеряет величину радиосигнала, рассеянного от каждого интервала высот, и счетно-решающее устройство сразу «выдает» вертикальный профиль электронной концентрации. Исследуется не только величина, но и спектр рассеянного сигнала. Чем быстрее движутся заряженные частицы, чем выше их температура, тем шире спектр (помните, мы уже обсуждали эффект Доплера и связанное с ним уширение спектральных линий). В спектре рассеянного радиосигнала содержится информация о температуре электронов и ионов, частоте соударений заряженных частиц, ионном составе, электрических токах в ионосфере и о многих других важных характеристиках ионосферной плазмы.

Особая ценность метода некогерентного рассеяния заключается еще и в том, что многие характеристики можно измерить почти одновременно в большом интервале высот. Это равносильно запуску хорошо оснащенной геофизической ракеты. Но ведь ракеты — это мгновенный «прокол» ионосферы, а радиоизмерения можно вести в течение длительного времени, изучая поведение ионосферы в зависимости от других геофизических факторов. Именно такая возможность делает метод уникальным.

Аппаратура для исследования ионосферы методом некогерентного рассеяния радиоволн представляет собой дорогой и сложный радиотехнический комплекс. Ведь радар должен обладать такой мощностью передатчика и такой чувствительностью приемника, чтобы, образно говоря, локатор мог «видеть» на высоте 300 км пятикопеечную монету. Это точное сравнение, ибо суммарная энергия, рассеиваемая ионосферой на этой высоте, примерно равна энергии волны, отраженной от кусочка металла размером с пятак.

Во всем мире пока, к сожалению, существует не более десятка установок, ведущих регулярную научно-исследовательскую работу этим методом. Первое, что бросается в глаза,— огромные антенны, необходимые для того, чтобы сфокусировать колоссальную энергию излучения в очень узкий пучок. Антенна может представлять собой решетку из тысяч небольших антенн, как, например, на станции Джикамарка, расположенной в Перу вблизи магнитного экватора, или сферическое зеркало диаметром 300 м, оборудованное прямо в естественной   карстовой   впадине   в   горах   Пуэрто-Рико.

Во Франции, например, для зондирования ионосферы используются разнесенные на 300 км передающая и приемная антенны. Передатчик излучает энергию непрерывно вертикально вверх, а управляемая по наклону приемная антенна «улавливает» сигналы, рассеянные ионосферой, последовательно прощупывая различные высоты. В качестве приемной антенны используются антенны крупнейшего радиотелескопа — вертикальное параболическое зеркало размерами 35X300 м и плоское наклонное зеркало 200X40 м. Такая «двухпозиционная» система особенно эффективна для изучения нижней атмосферы, где свободных электронов в тысячу раз меньше, чем в области F2, и рассеянный сигнал совсем слабый.

Недавно в Скандинавии, в зоне полярных сияний, вошла в строй мощная установка некогерентного рассеяния. Уже получены уникальные данные об электрических полях и ионосферных ветрах, связанных с магнитными бурями. Имеются все основания полагать, что комплексные измерения с помощью ракет, искусственных спутников Земли и метода некогерентного рассеяния дадут нам возможность увеличить бесценный свод знаний об удивительном радиозеркале нашей планеты.

Радиоволны используются как инструмент для изучения ионосферы в десятках различных радиометодов. Я же, боясь утомить своего терпеливого читателя их последовательным описанием, рассказал только о наиболее распространенных методах и одном «экзотическом» — вертикальном импульсном радиозондировании — «Маяках» и о некогерентном рассеянии. На самом деле ученые используют любую возможность, чтобы по прохождению радиоволн узнать что-нибудь новое о капризах ионосферы. В космос летают уже сотни космических аппаратов. И на борту каждого из них обязательно установлены исследовательские радиопередатчики, которые работают в диапазоне волн, пронизывающих ионосферу. Антенны в центрах по управлению полетами, кроме служебной и связной информации, принимают сигналы, несущие сведения об электронном содержании в районе орбиты спутника, ионосферных неоднородно-стях, поглощении радиоволн и т. п.

А иногда специалисты по физике ионосферы надевают скафандр космонавта. В составе одного из экипажей американской орбитальной обсерватории «Скай-лэб» («Небесная лаборатория») в космосе побывал, например, известный ученый Оуэне Гарриотт, а космонавт Георгий Михайлович Гречко — доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией в Институте физики атмосферы АН СССР.

Контролируется с исследовательскими целями и работа наземных радиолиний, организуются экспериментальные радиотрассы. И если ученые стараются понять механизм наблюдаемых явлений, то потребители ждать не могут и не хотят. Каждый день задается настойчивый вопрос: «Какая завтра радиопогода?» Это, конечно, закономерно.


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: :???: :?: :!: