Ионозонд

Современный ионозонд, состоящий из синхронизированных импульсного передатчика и приёмника и компьютерной системы отображения ионограмм

Ионозонд — специализированный радиолокатор для определения высот отражения радиоволн различных частот от ионосферы, критических частот ионосферы^{[K 1]} и высотного распределения концентрации электронов. В состав ионозонда входит импульсный передатчик, работающий на нескольких фиксированных частотах или в непрерывном диапазоне частот, антенна, обеспечивающая передачу зондирующих импульсов, приёмник, синхронизирующие устройства и средства отображения^[2].

Высота слоёв ионосферы определяется по времени запаздывания приёма отражённого сигнала относительно излучённого, однако, поскольку реальная скорость распространения радиоволн в области отражения меньше скорости света и зависит от показателя преломления ионосферы, определяется не истинная, а так называемая кажущаяся или «действующая» высота отражения. В результате сканирования ионосферы на различных частотах получаются её высотно-частотные характеристики или ионограммы^[3].

Наземные ионозонды, размещаемые на ионосферных станциях, позволяют изучать нижнюю часть ионосферы, до высоты её главного максимума^{[K 2]}. Для исследований внешней ионосферы ионозонды размещаются на геофизических ракетах и на искусственных спутниках Земли, которые выводятся на круговые орбиты, как правило с высотой около 1000 км^[2][5].

История

Ещё в 1901 году Г. Маркони осуществил радиопередачу сообщения через Атлантический океан, а в 1902 году О. Хевисайд предложил для объяснения этого эксперимента теорию ионизации верхних слоёв атмосферы солнечным излучением c образованием отражающего радиоволны электропроводящего слоя. Однако, длительное время эта теория не принималась учёными, а эксперимент Маркони объясняли дифракцией радиоволн на сферической поверхности Земли. Прямым доказательством существования в верхних слоях атмосферы Земли проводящего электрического слоя стали опубликованные в 1926 году результаты первых экспериментов по радиозондированию ионосферы, поставленных американскими учёными Г. Брайтом и М. Тьювом^{[англ.][6]}. В середине-конце 1920-х годов наблюдается взрывной рост экспериментальных исследований ионосферы и создаются первые теории ионосферных слоёв. В 1930-х годах возникают сети лабораторий, изучающих ионосферу на различных широтах и в различных геофизических условиях методами радиозондирования. В 1950-х годах начинается промышленное изготовление автоматических ионозондов и создаётся мировая сеть из примерно 150 ионосферных станций, проводящих согласованное, регулярное, одновременное и однотипное вертикальное радиозондирование ионосферы. В 1960-е годы началась установка ионозондов на искусственных спутниках Земли, что позволило зондировать ионосферу выше области главного максимума и изучать особенности и свойства её внешней части^[7].

Применение

Отражение радиоволн, прежде всего декаметрового диапазона, от ионосферы является основой для работы многих радиотехнических систем. Для обеспечения и прогнозирования работы этих систем требуется знание текущих свойств ионосферы и ожидаемого их изменения в глобальном масштабе. Для изучения ионосферы во многих странах созданы специализированные ионосферные службы, основным инструментом которых являются станции зондирования ионосферы или ионосферные станции^[8].

Основной объект изучения при прикладных исследованиях ионосферы — присутствующие в ней электроны, которые гораздо более эффективно, чем тяжёлые ионы, взаимодействуют с радиосигналами и влияют на их распространение^[9]. В макроскопическом масштабе это влияние описывается через изменение диэлектрической проницаемости среды ${\displaystyle \varepsilon }$, связанной с концентрацией электронов ${\displaystyle \mathrm {N} _{e}}$. Связь между диэлектрической проницаемостью среды и электронной концентрацией выражается формулой:

${\displaystyle \varepsilon =1-4\pi \mathrm {N} _{e}q^{2}/m\omega ^{2}}$, где ${\displaystyle \mathrm {N} _{e}}$ — электронная концентрация, ${\displaystyle q}$ — заряд электрона, ${\displaystyle m}$ — масса электрона, ${\displaystyle \omega }$ — круговая частота воздействующей электромагнитной волны.

Это соотношение также может быть выражено через так называемую плазменную частоту, зависящую от локальной концентрации электронов:

${\displaystyle \varepsilon =1-f_{0}^{2}/f^{2}}$, где ${\displaystyle f_{0}}$ — плазменная частота, а ${\displaystyle f}$ — частота волны^[8].

При зондировании ионосферы отражение от неё радиоволн наблюдается при совпадении их частоты с плазменной частотой структурных особенностей ионосферы, т. е. при выполнения условия ${\displaystyle \varepsilon =0}$. Ионозонды обеспечивают получение информации с высоким отношением «сигнал/шум» и позволяют измерять зависимость концентрации электронов в ионосферной плазме от высоты с очень высокой точностью. Эти измерения легко могут быть автоматизированы, а комплексная компьютерная обработка таких параметров принимаемого сигнала, как групповая задержка, амплитуда, фаза, поляризация и доплеровский сдвиг позволяет получить получать не только традиционную для ионозондов информацию о концентрации электронов в ионосфере, но и данные о других параметрах земной атмосферы^[7].

Методы ионосферного зондирования

Ионосферное зондирование делится, в зависимости от расположения источников и приёмников зондирующего сигнала, на вертикальное (ВЗ), наклонное(НЗ), возвратно-наклонное(ВНЗ), внешнее (ВнЗ) и трансионосферное (ТИЗ)^[9].

Вертикальное зондирование

Вертикальное зондирование, при котором импульсный сигнал посылается с помощью направленной антенны вертикально вверх, а расположение передатчика и приёмника импульсов совпадают, является самым распространённым, чувствительным и информативным методом изучения верхней атмосферы и ближнего околоземного пространства. По времени запаздывания приёма отражённого от ионосферы сигнала относительно переданного вычисляется действующая высота отражения на данной частоте. Поскольку скорость распространения сигналов в ионосфере из-за их взаимодействия с заряженными частицами меньше скорости света, действующая высота всегда превышает истинную высоту отражающего слоя, тем больше, чем выше концентрация заряженных частиц в ионосфере и сильнее её влияние на распространяющиеся в ней сигналы. При ВЗ частоту несущей радиоимпульсов повышают, каждый импульс может оставлять как один, так и несколько следов на ионограмме, до тех пор, пока частота не превысит критическую, при которой отражения слоями ионосферы не наблюдается^[10].

Наклонное зондирование и возвратно-наклонное зондирование

При многочастотном наклонном зондировании приёмная и передающая системы ионозонда разнесены в пространстве, а процессы излучения импульсов и их приёма синхронизированы во времени с высокой точностью. Метод наклонного зондирования позволяет экспериментально исследовать прохождение радиоволн на фиксированной дальности и оценивать состояние ионосферы в области средней точки радиотрассы, где происходит отражение сигнала (односкачковое прохождение). Наклонное зондирование даёт прямое измерение максимально применимой частоты для выбранной дальности радиотрассы. Ионограммы, получаемые в результате наклонного зондирования, отражает частотную зависимость группового запаздывания сигналов, прошедших различными путями в ионосфере до точки приёма^[11]. При возвратно-наклонном зондировании в той же точке, что и передатчик, устанавливается ещё один приёмник ионозонда. который принимает импульсы, рассеянные «назад» на неоднородностях ионосферы в средней точке радиотрассы. Для сигналов, принимаемых при возвратно-наклонном зондировании, условие ${\displaystyle \varepsilon =0}$ не выполняется, оценивается зависимость группового запаздывания сигналов от частоты, связанная с концентрацией электронов^[7].

Внешнее радиозондирование

Внешним зондированием называется метод радиозондирования ионосферы, при котором передатчик и приёмник ионозонда устанавливаются на искусственном спутнике Земли. Внешнее зондирование позволяет получать информацию о структуре и процессах на высотах между орбитой спутника и критических слоем. В случае, если орбита космического аппарата лежит ниже высоты слоя F₂, может использоваться термин «внутреннее радиозондирование». При внешнем зондировании могут быть получены недоступные для наземного зондирования сведения о критической частоте и высоте максимума слоя F₂ и распределении электронной концентрации от высоты орбиты ИСЗ до слоя F₂. В то же время при внешнем зондировании недоступна информация о внутренних слоях ионосферы F₁, D и E, исследуемых методами наземного зондирования^[12]. Первые эксперименты по внешнему зондированию ионосферы начались в 1962 году на канадском спутнике Alouette 1, проработавшем около 7 лет. Впоследствии эти исследования были продолжены на канадских спутниках Alouette 2^[англ.] и ISIS^[англ.], американском Эксплорер-20^[англ.], советских Космос-381, Интеркосмос-19, Космос-1809, японском Ohzora (EXOS-C)^{[фр.][13][14]}.

Установка ионозонда на исследующие ионосферу космические аппараты применяется сравнительно редко, так как требует передатчиков мощностью в сотни ватт и крупных антенных систем, а работа ионозонда вносит помехи в работу остальных систем спутника и ограничивает количество одновременно проводимых исследований. Последним спутником, с которого проводилось внешнее зондирование ионосферы, был «Космос-1809», работавший в 1986—1993 годах. В конце 1990-х годов осуществлялось радиозондирование ионосферы с орбитальной станции «Мир», но её низкая орбита не позволяла исследовать верхний слой ионосферы^[15][16]. С начала 2000-х годов готовится запуск российского специализированного многоспутникового комплекса «Ионозонд», в состав которого будут входить спутники «Ионосфера-М», оснащённые, наряду с другой научной аппаратурой, ионозондами^[17][18].

Трансионосферное зондирование

Трансионосферное зондирование также осуществляется с помощью передатчиков ионозондов, установленных на космических аппаратах. Приёмник при этом располагается на наземной станции и должен быть с высокой точностью синхронизирован с излучающим импульсы передатчиком. Для синхронизации используется отдельный радиоканал между ИСЗ и наземной станцией, работающий на высоких частотах, порядка 100 Мгц и более, и передающий метки времени. Зондирующий сигнал переменной частоты передаётся со спутника в диапазоне коротких волн. На наземной станции фиксируется запаздывание зондирующего сигнала относительно синхронизирующего и частотная зависимость этого запаздывания, пересчитанная в расстояние, регистрируется в виде трансионограммы. Применяется также обратное трансионосферное зондирование, когда зондирующий сигнал переменной частоты излучается наземной станцией, а функция его запаздывания от частоты регистрируется бортовой аппаратурой спутника и передаётся на Землю по каналу телеметрии. Первые в мире эксперименты по прямому и обратному трансионосферному зондированию проводились на космическом аппарате «Интеркосмос-19» в 1979 году^[19] и были продолжены на «Космосе-1809» и станции «Мир»^[20][21]. Также для трансионосферного зондирования используются сигналы навигационных спутников, по данным о распространении которых можно оценить концентрацию электронов вдоль их пути через ионосферу^[22].

Примечания

Комментарии

1. Критическая частота — наибольшая частота, при которой радиоволны, направленные вертикально, отражаются от данного слоя ионосферы^[1]
2. Главный максимум — область наибольшей концентрации электронов в ионосфере, на высоте 250-400 км. Высота главного максимума меняется в зависимости от времени суток, активности Солнца и других условий^[4]

Источники

1. Дымович Н. Д., 1964, Глава 2. Строение ионосферы.
2. Ионозонд // Космонавтика: Энциклопедия (рус.) / Гл. ред. В. П. Глушко; Редколлегия: В. П. Бармин, К. Д. Бушуев, В. С. Верещетин и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1985.
3. Ионосферные явления (описание)  (рус.). Мировой Центр Данных по Солнечно-Земной Физике. Геофизический центр РАН. Дата обращения: 8 ноября 2021. Архивировано 31 января 2020 года.
4. Г. П. Грудинская. Экспериментальные данные о строении ионосферы // Распространение радиоволн (рус.). — М.: Высшая школа, 1975.
5. Труды ИПГ, 2008, Предисловие.
6. F.C. Judd, G2BCX. Radio Wave Propagation (HF Bands) (англ.). — London: Heinemann, 1987. — P. 12–20, 27–37. — ISBN 978-0-434-90926-1.
7. Н. П. Данилкин. Системное радиозондирование — основа построения службы контроля состояния ионосферы (рус.) // Ионосферно-магнитная служба : сборник. — Л.: Гидрометиздат, 1987.
8. Ю. К. Калинин, В. В. Алпатов, А. Ю. Репин, А. В. Щелкалин. Вопросы вертикального и наклонного зондирования ионосферы (рус.) // Гелиогеофизические исследования. — 2018. — Вып. 20. — ISSN 2304-7380.
9. ВНИИГМИ-МЦД, 2015, Основные методы ионосферных наблюдений.
10. ВНИИГМИ-МЦД, 2015, Метод вертикального радиозондирования ионосферы.
11. ВНИИГМИ-МЦД, 2015, Метод наклонного радиозондирования ионосферы.
12. ВНИИГМИ-МЦД, 2015, Внешнее радиозондирование ионосферы.
13. Труды ИПГ, 2008, Ионосферные наблюдения, с. 134—140.
14. ИОНОЗОНД / IONOZOND  (рус.). ИКИ РАН. Дата обращения: 28 января 2022. Архивировано 28 января 2022 года.
15. A. V. Podlesnyi, A. A. Naumenko, M. V. Cedrik. Estimating antenna coupling factor for problem of topside ionosphere sounding from space by chirp signals (англ.) // Solar-Terrestrial Physics : журнал. — 2019. — Vol. 5, no. 4. — P. 101—107. — doi:10.12737/stp-54201914.
16. Труды ИПГ, 2008, Радиозондирование ионосферы с космической станции «МИР», с. 169—171.
17. Возобновляются работы по проекту «Ионозонд-2025»  (рус.). Пресс-центр ИКИ РАН. Дата обращения: 21 декабря 2021. Архивировано 9 июля 2021 года.
18. Космический комплекс «Ионозонд». Космический аппарат «Ионосфера»  (рус.). ВНИИЭМ. Дата обращения: 21 декабря 2021. Архивировано 12 декабря 2021 года.
19. Васильев Г. В., Гончаров Л. П., Данилкин Н. П., Иванов И. И., Киселёв Г. Н., Ковалёв С. В., Кушнеревский Ю. В., Смирнов С. Д., Флигель М. Д. Предварительные результаты исследования трансионосферного зондирования с ИСЗ «Интеркосмос-19» (рус.) // Геомагнетизм и аэрономия : журнал. — 1981. — Т. 21, № 6. — С. 1117—1120.
20. Труды ИПГ, 2008, Трансионосферное зондирование, с. 83—90.
21. Исследования ионосферы методом трансионосферного зондирования  (рус.). ИЗМИРАН. Дата обращения: 23 декабря 2021. Архивировано 13 июля 2018 года.
22. А. О. Куприянов, В. В. Тихонов, Д. А. Морозов, А. Ю. Перминов. Оперативный мониторинг параметров ионосферы в локальной области по результатам мультичастотных ГНСС-измерений (рус.) // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъёмка. — 2018. — Т. 62, № 6.

Литература

• Дымович Н. Д. Ионосфера и её исследование (рус.). — Энергия, 1964. — (Массовая радиобиблиотека).
• Радиозондирование ионосферы спутниковыми и наземными ионозондами (рус.) / Под ред. С. И. Авдюшина. — М.: ИПГ им. академика Е. К. Фёдорова, 2008. — (Труды института прикладной геофизики им. академика Е. К. Фёдорова).
• Руководство по ионосферным, магнитным и гелиогеофизическим наблюдениям (рус.). — Обнинск: ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД», 2015.