Источники информации об ионосфере

Прежде всего существуют радиометоды. Те самые радиоволны, которые отражаются и поглощаются ионосферой, несут в себе информацию о той области, через которую они прошли или от которой отразились. В дальнейшем мы расскажем об этом подробнее, а пока можно сказать, например, что, измеряя время между моментом излучения радиоволны и моментом ее приема, легко определить высоту отражения, то есть высоту ионосферного слоя. Частота отраженной радиоволны несет информацию о концентрации свободных электронов. Если электронов мало, отражаются только длинные волны; но чем больше электронов в единице объема, тем более короткие волны способна отражать ионосфера.

Если мы точно знаем, какую энергию волны мы поедали в ионосферу, и способны измерить ослабление принятого сигнала по сравнению с излученным, то можем определить температуру ионосферы, узнать, как часто сталкиваются между собой частицы ионосферной плазмы. Если мы будем записывать с помощью какого-либо регистрирующего прибора (самописца, магнитофона и т. п.), как меняется во времени уровень принимаемого сигнала, то сможем получить информацию об «ионосферных облаках», сгущениях и разрежениях плазмы, находящихся в непрерывном движении.

На высотах ионосферы так же, как и у Земли, существует система ветров. Скорости ионосферных ветров по земным масштабам — ураганные, иногда несколько сот метров в секунду. И радиометоды позволяют эти скорости измерить, так как фиксируют в нескольких точках на Земле, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, свойства отраженной от ионосферы или прошедшей сквозь нее радиоволны. Отраженной — это ясно, но что значит прошедшей сквозь нее? А дело в том, что многие участки нашего звездного неба являются источником радиоизлучения. Иногда источник радиоизлучения совпадает с местоположением какой-либо видимой звезды или созвездия (например, созвездий Лебедь или Кассиопея), а иногда его нельзя отождествить ни с каким видимым объектом. «Радиозвезды» и космическое радиоизлучение, поступающее из глубин галактики, являются для нас, наблюдателей на Земле, инструментом для изучения ионосферы.

Радиоволны из космоса проходят всю толщу ионосферы, и их энергия в этом слое поглощается. А как сильно поглощается — это уже зависит от состояния ионосферы, от концентрации свободных электронов, от частоты соударений, от температуры. Имеются даже специальные приборы, измеряющие уровень космического радиошума или степень прозрачности ионосферы для космического радиоизлучения,— риометры. Чаще всего они используются в полярных обсерваториях и на дрейфующих станциях.

Сразу после второй мировой войны исследователи ионосферы взяли на вооружение новое средство — Р&кеты. Идея применения ракет для изучения атмосферы ннебесных тел принадлежит основоположнику космонавтики К. Э. Циолковскому. Грозное современное оружие — ракеты — может служить и научным инструментом. Сейчас существует целое семейство геофизических ракет различных типов, осуществлены десятки тысяч запусков на экваторе и на полярных островах, на суше и на море, со специальных кораблей-ракетоносцев. Малые геофизические ракеты обычно применяются для исследования атмосферы ниже 100 км. Большие ракеты поднимаются на несколько сот километров, исследуют ионосферу. Специальные ракеты поднимаются на высоту более 1000 км. Например, в октябре 1976 г. ученые из социалистических стран успешно осуществили в СССР запуск геофизической ракеты «Вертикаль» на высоту 1512 км!

Верхние слои атмосферы в непосредственной близости от ракеты изучают с помощью приборов, установленных прямо на борту. Здесь находятся счетчики космических частиц; магнитометры для измерения магнитного поля Земли; приборы, регистрирующие встречи с метеорными частицами; приборы для измерения интенсивности и спектрального состава солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучения; термометры и чувствительные манометры; специальные камеры для отбора проб воздуха на различных высотах; радиопередатчики для ионосферных измерений; зонды и ловушки заряженных частиц и другое научное оборудование. По существу, в головном отсеке таких ракет находится целая лаборатория.

Для определения скорости и направления ветра, температуры и других характеристик атмосферы из ракеты можно на определенной высоте выбросить облако легко ионизируемого газа, например натрия или бария. Это облако под действием солнечного излучения начинает светиться, и его очень хорошо видно, особенно на фоне сумеречного или рассветного неба. Движение такого облака под действием ветра, расплывание его под действием физико-химических процессов можно проследить с помощью специальной системы фототеодолитов.

До высоты 90 км можно применить еще один остроумный способ. Через определенные промежутки времени (то есть на нескольких последовательных высотах вдоль траектории ракеты) взрываются выбрасываемые из ракеты гранаты. Каждый взрыв порождает звуковую волну. Измерив время, которое затрачивает эта волна, чтобы добежать до нескольких расположенных на поверхности Земли чувствительных микрофонных датчиков, и зная высоту взрыва гранаты, можно определить скорость и траекторию волны. А дальше вступают в силу законы экспериментальной физики. Ученых еще задолго до начала исследования верхней ионосферы интересовали закономерности распространения звука в воздухе. В лабораториях ставились опыты, чтобы установить, как зависит скорость звука от свойств воздуха. Были получены экспериментально и объяснены теоретически формулы, по которым, зная скорость звуковой волны, можно рассчитать температуру, давление и плотность воздуха. бот эти формулы и используются на последнем этапе ракетно-гранатных экспериментов.

Конечно, ракетные эксперименты — крайне сложное и дорогостоящее мероприятие. Приборы должны быть очень точными и миниатюрными, поскольку масса приборного отсека должна быть небольшой. И работать рми должны, не мешая друг другу. Во время запуска, когда ракета приобретает начальное ускорение, приборы испытывают колоссальные перегрузки, и надо конструировать аппаратуру так, чтобы не расплющились и не повредились сложнейшие схемы. Все измерения необходимо проводить за считанные минуты, пока ракета находится в ионосфере. И не только проводить измерения, но и передавать данные на Землю. Значит, данные измерений надо зашифровать в специальные радиосигналы, передать их с помощью радиопередатчика, поймать на Земле, расшифровать. Необходимо еще учесть, что приборы должны быть рассчитаны на огромный диапазон изменений свойств окружающего газа. Они начинают ощой путь при давлении воздуха в одну атмосферу, а через несколько минут оказываются на высоте, где давление в миллиарды раз меньше. А вспомните, как меняется € высотой температура!

Имеется и еще одна трудность. Ракета, ее корпус, детали приборов, попадая в верхнюю атмосферу, то есть в высокий вакуум, сами выделяют газы, «загрязняя» окружающий воздух. И тогда, например, приборы ЩМут показывать наличие атомов железа или меди, которых на самом деле в естественных условиях вовсе нет. Учитывая это обстоятельство, измерительную аппа-Р#ТУРУ иногда размещают не в самой ракете, а в спе-циальном контейнере, который сперва находится внутри рекеты, а затем отделяется и совершает полет самостоятельно. Кроме измерительных приборов, в одном из отсеков контейнера находятся баллоны для взятия проб воздуха на разных высотах. Несколько долей миллиграмма газов, доставленных из ионосферы, представляют очень большой интерес для исследователей. Из баллонов предварительно самым тщательным образом откачивается насосами весь имеющийся воздух. Чем меньше останется там молекул земного воздуха, тем меньше будет ошибка будущих измерений. Во время полета контейнера специальные клапаны на мгновение приоткрываются и автоматически закрываются. Затем в лабораториях, уже на Земле, ампулу с пробой воздуха исследуют физическими и химическими методами и определяют состав пробы. Правда, в высоких слоях атмосферы много нестойких частиц, которые существуют очень недолго. Пока ампула с газом, даже герметически закрытая, попадет в лабораторию для исследования, химический состав газа, ионный его состав могут сильно измениться. А ведь контейнеры, спускаемые на парашютах, приходилось разыскивать и в степях, и в тайге, и в заполярной тундре!

В общем ракета успевает только быстро «заглянуть» в ионосферу. А нам нужны длительные наблюдения. Ракета «прокалывает» ионосферу по вертикали в одной точке, а нам необходимо исследовать все воздушное покрывало планеты. Сделать это можно только с помощью искусственных спутников Земли (ИСЗ), о которых ученые мечтали давно. И вот 4 октября 1957 г. эта мечта осуществилась — с советского космодрома стартовал первый в мире искусственный спутник Земли. Первое небесное тело, созданное в лаборатории руками человека, весило немного — всего 83,6 кг. Но уже через месяц на орбиту был выведен второй спутник массой более полутонны — 508,3 кг. В самой удаленной от Земли точке своей орбиты второй ИСЗ находился на высоте 1671 км! Запуск искусственных спутников Земли положил начало грандиозному научному эксперименту, в котором объектом изучения стала вся планета с ее атмосферой — околоземное космическое пространство. Третий советский спутник поднял в космос уже около тонны научной аппаратуры. Этот спутник сделал более 10 тыс. оборотов вокруг Земли и просуществовал на орбите почти два года. Аппаратура на орбите работала по командам специального электронного программного устройства, которое находилось на борту, включало и выключало приборы в заданное время.

Для измерения концентрации ионов в ионосферу на третьем спутнике впервые подняли ионные ловушки. Это очень остроумные приборы, внешне похожие на детскую погремушку, только не пластмассовую, а металлическую. Внутри шарообразной сетчатой оболочки, в центре шара, находился маленький металлический шарик — собиратель частиц, коллектор. Этот коллектор был заряжен отрицательно от батареи. Значит, он притягивал положительные частицы, залетающие в шар-ловушку, и выталкивал отрицательные. Чем больше положительных ионов попадало на коллектор, тем сильнее был ток в чувствительной схеме, присоединенной к ловушке. Так измерялась концентрация ионов.

Химический состав ионосферного газа определяли роботы-химики: специальные приборы — магнитные и радиочастотные масс-спектрометры. Они умели сортировать заряженные частицы в соответствии с относительной атомной массой и определять их количественное соотношение. Как работает такой «сепаратор» частиц? Идея состоит в том, что частицы разной массы под воздействием одной и той же силы приобретают разную скорость и движутся по-разному. Представьте себе, что вы толкаете одновременно чугунный и пластмассовый шарики…

Заряженные частицы, влетающие в прибор, заставляют проходить через магнитное или электрическое поле. Такое поле создается в самом приборе, то есть там находятся либо отклоняющий магнит, либо электроды — система сеток, на которые подается электрический потенциал. Отклоняясь по-разному под действием магнитного поля (в зависимости от массы), частицы попадают в разные места прибора и там регистрируются. Подавая на сетки разное по величине напряжение, частицы одного сорта можно ускорить и направить к собирающему электроду — коллектору, а частицы другого сорта затормозить и вообще не пропустить.

В наше время спутники — уже не экзотика, а обыч-ный инструмент геофизика. Исследовательских спутников залущено уже несколько тысяч. У нас, в СССР, есть много-численная серия спутников «Космос». На них возложены, в частности, и задачи по регулярному изучению ионо-сфвры. Здесь применяются и прямые методы, и радио-методы — наблюдения за радиосигналами, излучаемыми бортовым передатчиком спутника,— и радиозондирова-ние ионосферы с борта спутника. Чтобы исключить возможные ошибки, на одном и том же спутнике часто ставились ионные ловушки различных конструкций — сферические, полусферические, плоские, а также цилиндрические зонды, которые, кроме концентрации, способны измерять и электронную температуру. А температуру ионов измеряли с помощью ловушек особого типа, внешне  напоминающих  пчелиные  многоячеистые  соты.

Интересно, что плоские ловушки с успехом могут использоваться для решения сложной технической проблемы — определения ориентации спутника в пространстве, необходимого для правильного истолкования показаний приборов. Дело в том, что поток электронов, попадающих в плоскую ловушку, сильно зависит от ее положения относительно траектории спутника. Сравнение токов, которые зарегистрированы в восьми плоских ловушках, установленных на поверхности спутника, позволяет рассчитать его ориентацию.

Вообще ИСЗ располагают тем же арсеналом приборов, что и геофизические ракеты: для исследования ионизирующих излучений, для изучения окружающей среды, для измерения электромагнитных полей в космосе. А кроме того, сейчас ИСЗ стали мощным инструментом в руках геодезистов, географов, геологов, метеорологов, биологов, медиков и т. д. Но это уже тема отдельного разговора.

Для прямых измерений плотности верхней атмосферы на спутниках устанавливаются блоки ионизационных манометров. Ионизационный манометр — это стеклянная колба, на входе которой укреплена цилиндрическая сетка. Внутри сетки по оси этого цилиндра натянута тонкая проволочка, которая служит коллектором — собирателем положительных ионов. Снаружи сетки на той же ножке укреплен нагреваемый катод из вольфрама. Электроны от раскаленного катода летят к положительно заряженной сетке, пролетают между ее редкими витками, но отталкиваются отрицательно заряженным коллектором. Подобное устройство заставляет, таким образом, горячие электроны колебаться внутри объема колбы со значительными скоростями. На определенной высоте манометр вскрывается и колба заполняется окружающим аппарат атмосферным газом. «Рабочие» электроны, совершая колебания около витков сетки, сталкиваются с атомами и молекулами газа, попавшего в полость манометра, и ионизируют их. Образующиеся при этом положительные ионы попадают на коллектор, и в цепи коллектора возникает электрический ток. Чем больше плотность исследуемого газа, тем больше ионов и, следовательно, тем сильнее ток. Силу тока можно легко измерить, данные по системам телеметрии передать на Землю и плотность рассчитать.

Ракетно-космическая техника, вызванная к жизни потребностями обороны, сразу же, с первых дней своего рождения, действительно стала ценным инструментом для широкого исследования ближнего космического пространства. Полученные с ее помощью сведения о верхних слоях воздушного океана оказались крайне важными для совершенствования самой космической техники. Знание свойств верхней атмосферы, прежде всего плотности, необходимо для баллистических расчетов при выведении космических аппаратов на расчетные орбиты и прогнозирования времени их существования, при расчетах систем ориентации и стабилизации космических аппаратов. Особенно важно учитывать влияние вариаций плотности атмосферы на орбиты геофизических и навигационных искусственных спутников Земли, когда требуется обеспечить очень высокую точность расчетов, а также при создании космических объектов с системами прецизионной ориентации, например астрономических платформ с телескопами для наблюдений за небесными телами с орбиты спутника Земли, за пределами атмосферы. Не меньшее значение имеют знание и прогноз изменений свойств атмосферы для обеспечения стыковки космических кораблей на орбите и решения задач управляемого полета.

Космические корабли, возвращаясь на Землю, врываются в атмосферу со второй космической скоростью (свыше 11 км/с). Чтобы погасить эту скорость за счет торможения в атмосфере и осуществить прямой или планирующий спуск, благополучную посадку, надо знать характер колебаний плотности атмосферы. Даже небольшие отклонения на высотах, соответствующих так называемому коридору входа, приводят к значительному изменению расчетных траекторий, а также к сильнейшим перегрузкам, нагреву и даже разрушению корабля.

Орбиты космических кораблей обычно проходят на высотах термосферы. Здесь отчетливо проявляются колебания плотности ото дня к ночи. Максимум и минимум приходятся соответственно примерно на 14—16 и 4-6 ч местного времени. Диапазон колебаний может Достигать на высоте 200 км 60—70%, а на высоте 300 км — даже более 200%, то есть может изменяться в два раза! Наиболее резко суточные вариации плотности проявляются в низких широтах, вблизи тропиков, экватора.

Солнечная активность и магнитные бури также оказывают существенное воздействие на плотность тер-мосферы. В годы минимума солнечной активности средняя плотность уменьшалась в два раза на высоте 200 км и в три с половиной раза на высоте 300 км (по сравнению с периодом максимума солнечной активности, например в 1958 г.). Геомагнитные бури тоже влияют на вариации плотности атмосферы. Даже относительно слабые геомагнитные возмущения оказывают глобальное воздействие на температуру и плотность верхней атмосферы, во время же сильных магнитных бурь температура в зонах полярных сияний может превышать 3000 К, а плотность на высоте 300 км увеличивается в несколько раз сильнее, чем в низких широтах.

Температура ионосферы также сильно меняется и в зависимости от времени суток, и в зависимости от солнечной активности. Естественно, в дневное время и при большой активности Солнца температура повышается. Скажем, на верхней границе термосферы перепад температур от минимальной (ночные условия, минимум солнечной активности) до максимальной (дневные условия, максимум) может составить 2000 К! При этом средняя плотность на высотах 500—600 км может изменяться в сотни раз. Такие вариации плотности и температуры, конечно же, необходимо учитывать при расчете орбит конструкторам   космических   кораблей   и   баллистикам.

Итак, наземные радиометры, приборы на ракетах, аппаратура на ИСЗ — вот три основных источника научной информации об ионосфере. Есть ли еще какие-нибудь способы получить сведения об этой таинственной области? Да, есть. И некоторые из них сравнительно просты. Это, например, исследование полярных сияний.


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