Ионосфера и ее изучение
В. МИГУЛИН, член-корр. АН СССР
РАДИО № 11, 1987 г
Семьдесят лет советского государства — это время бурного расцвета советской науки, в том числе ее направлений, на базе которых получило широчайшее развитие радио.
От искровых, дуговых и машинных длинноволновых радиостанций, известивших мир о революционных событиях в нашей стране и через которые передавались первые декреты Советской власти, — отечественная радиотехника и радиоэлектроника к семидесятилетию Великого Октября приходит во всеоружии современных средств связи, радиоуправления и многочисленных систем радиоэлектроники с использованием всего диапазона радиоволн от сверхдлинных до сантиметровых и миллиметровых.
Разработка проблем связи, радионавигации, радиолокации и многих других требовала изучения процессов распространения радиоволн в реальных условиях и стимулировала исследование ионосферы. Советские радиофизики имеют большие успехи в деле познания приземной плазмы, частью которой является ионосфера.
От первых робких исследовательских шагов до планомерного изучения ионосферы и оперативного сбора информации о её состоянии с помощью системы спутниковых, ракетных и наземных наблюдений — такой путь прошли советские специалисты.
Государственный комитет по гидрометеорологии и контролю окружающей среды (Госкомгидромет), наряду с информацией о погоде и её прогнозах, постоянно готовит сведения о текущем состоянии ионосферы и прогнозирует ее поведение, что позволяет обеспечивать надежную работу многих линий радиосвязи и других радиотехнических систем.
О достижениях в изучении ионосферы и современных взглядах на процессы, проходящие в ней, рассказывает член-корреспондент АН СССР Владимир Васильевич МИГУЛИН.
Сначала немного истории. Гипотеза о существовании проводящего слоя в верхней атмосфере была высказана еще в прошлом веке английским ученым Стюартом (1878 г.) для объяснения особенностей геомагнитного поля. Затем в 1902 г., независимо друг от друга, Кеннеди в США и Хевисайд в Англии указали, что для объяснения распространения радиоволн на большие расстояния необходимо предположить существование в высоких слоях атмосферы области с большой проводимостью. В 1923 г. советский ученый М. В. Шулейкин, рассматривая особенности распространения радиосигналов различных частот, пришел к выводу о наличии в ионосфере не менее двух отражающих слоев. А в 1925 г. английские исследователи Эппльтом и Барнет, а также Брейт и Тьюв впервые экспериментально доказали существование областей, отражающих радиоволны, и положили начало их систематическому изучению. С того времени, вот уже больше шестидесяти лет, ведется систематическое изучение этого природного образования, называемого ныне ионосферой, играющего существенную роль в ряде геофизических явлений и при использовании радиоволн для практических целей.
В наше время ионосферой мы называем ионизированную область земной атмосферы, начинающуюся с высот порядка 60 км и простирающуюся до высот 10000 км и даже выше. Основной источник ионизации земной атмосферы — ультрафиолетовое излучение Солнца, а также мягкое рентгеновское излучение, главным образом, солнечной короны. Кроме того, влияют на ионизацию верхней атмосферы и корпускулярные потоки, попадающие на Землю от Солнца, а также космические лучи и метеорные частицы.
Так называемые слои в атмосфере — это области, в которых имеются максимумы концентрации свободных электронов в единице объема. Именно свободные электроны, возникающие в процессе ионизации атомов газов атмосферы, играют решающую роль в процессах взаимодействия с радиоволнами, а роль положительных ионов в этих процессах вследствие их большой массы ничтожно мала. В результате многолетних исследований мы сейчас знаем очень многое об ионосфере Земли, о ее нормальном состоянии и о многих процессах, которые в ней происходят.
Уже в 30-е годы были начаты систематические наблюдения состояния ионосферы. В нашей стране по инициативе М. А. Бонч-Бруевича были созданы установки для импульсного зондирования ионосферы. Под Москвой и Ленинградом, в Томске и в Мурманске проводились многочисленные исследования, которые позволили, с одной стороны, выяснить многие общие свойства ионосферы: высоты и электронную концентрацию ее различных слоев (слоя , который наблюдается на высотах 60—70 км; слоя Е — на высотах 100—120 км; слоя F1 и F2 — на высотах 180—300 км), особенности ионосферы на различных широтах, ее поведение в зависимости от времени суток и сезона и, с другой стороны, показали чрезвычайную сложность происходящих в ней нерегулярных процессов.
Получение этих данных было необходимо для обеспечения дальней радиосвязи на коротких волнах, которая в те годы бурно развивалась. Выбор рабочих частот для различных коротковолновых радиолиний, их изменения в зависимости от состояния ионосферы в разное время суток и в разные сезоны был исключительно важен для обеспечения надежности радиосвязи.
Практическое значение исследований ионосферы, контроль и прогнозирование ее состояния и в прошлые годы, и сейчас трудно переоценить.
Какие же экспериментальные средства позволяли нам изучать свойства ионосферы в прошлые годы и чем мы располагаем сегодня? До середины 50-х годов практически единственным методом изучения ионосферы с Земли был метод импульсного зондирования — посылки радиоимпульсов и наблюдения их отражений от различных слоев ионосферы с измерением времени запаздывания и изучением формы отраженных сигналов. Измеряя высоты отражения радиоимпульсов на различных частотах, определяя критические частоты различных областей (критической называется частота несущей радиоимпульса, для которой данная область ионосферы становится прозрачной), можно определять значение электронной концентрации в слоях и действующие высоты для заданных частот, выбирать оптимальные частоты для заданных радиотрасс.
С развитием ракетной техники и с наступлением космической эры — эры искусственных спутников Земли (ИСЗ) и других космических аппаратов, появилась возможность непосредственного измерения параметров околоземной космической плазмы, нижней частью которой и является ионосфера.
Эти исследования существенно расширили наши познания об околоземном космическом пространстве. Установлено наличие плазменной оболочки Земли, называемой магнитосферой, так как она обязана своим существованием магнитному полю Земли, и подтверждено существование солнечного ветра — постоянно существующего потока заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Этот поток как бы «обдувает» Землю, и под влиянием геомагнитного поля заряженные частицы солнечного ветра отклоняются в сторону полюсов, обтекая и частично подпитывая магнитосферу.
Следуя магнитным силовым линиям геомагнитного поля, заряженные частицы солнечного ветра проникают в полярных областях вглубь магнитосферы вплоть до верхних слоев атмосферы. С этим связано появление полярных сияний и ряд других эффектов, наблюдаемых в полярных областях, в которых ионосфера особенно неустойчива и нерегулярна.
Измерения электронной концентрации, проводимые с борта специально запускаемых ракет и по трассам полетов ИСЗ, подтвердили и уточнили полученные ранее радиометодами с земной поверхности данные о структуре ионосферы, распределении содержания электронов с высотой над различными районами Земли и позволили получить значения электронной концентрации выше главного максимума — слоя F. А это невозможно было сделать ранее применявшимися методами зондирования с наблюдениями отраженных коротковолновых радиоимпульсов.
Запуски ИСЗ, предназначенных специально для изучения ионосферы, позволили в последние годы получить богатейшую информацию о состоянии и поведении ионосферы по всему земному шару. Прямые измерения параметров ионосферы и импульсного радиочастотного зондирования ионосферных слоев сверху с советских ИСЗ «Интеркосмос-2» (1969 г.), «Космос-381» (1970 г.), «Интеркосмос-19» (1979 г.), «Космос-1809» (1986 г.) дали нам очень много конкретных данных о свойствах ионосферной плазмы, ее пространственном распределении и, что особенно важно, о тех разнообразных электромагнитных и динамических процессах, которые в ней протекают.
Обнаружено, что в некоторых районах земного шара существуют достаточно устойчивые области с пониженной электронной концентрацией, регулярные «ионосферные ветры», в ионосфере возникают своеобразные волновые процессы, переносящие местные возмущения ионосферы на тысячи километров от места их возбуждения, и многое другое.
Одновременно с этим наземные средства исследования ионосферы обогатились новыми методами и установками. Создание особо высокочувствительных приемных устройств позволило осуществить на станциях импульсного зондирования ионосферы прием импульсных сигналов, частично отраженных от самых нижних областей ионосферы (станции частичных отражений). Использование мощных импульсных установок в метровом и дециметровом диапазонах волн с применением антенн, позволяющих осуществлять высокую концентрацию излучаемой энергии, дало возможность наблюдать сигналы, рассеянные ионосферой на различных высотах. Изучение особенностей спектров этих сигналов, некогерентно рассеянных электронами и ионами ионосферной плазмы (для этого использовались станции некогерентного рассеяния радиоволн) позволило определить концентрацию электронов и ионов, их эквивалентную температуру на различных высотах вплоть до высот в несколько тысяч километров. Оказалось, что для используемых частот ионосфера достаточно прозрачна.
Создание высокостабильных источников частоты (атомные и молекулярные стандарты) дали возможность реализовать наблюдение доплеровского смещения частоты сигналов, отражающихся от нерегулярной ионосферы, возмущенной естественными природными процессами или специальными искусственными возмущениями. Подобное направление исследований ионосферы получило значительное развитие в последние годы у нас и за рубежом.
Впервые влияние мощного радиоизлучения на свойства ионосферы было открыто еще в 1938 г. Оно получило название Люксембург — Горьковского эффекта или явления перекрестной модуляции. Однако лишь в последние годы получили развитие работы, использующие влияние мощного коротковолнового излучения на ионосферу с целью заданной модификации ее состояния в зоне действия возмущающей станции. Задавая определенное, дозированное возмущение той или иной области ионосферы и наблюдая ее поведение с помощью современных диагностических средств, можно получить ценнейшую информацию о свойствах самой области ионосферы, о происходящих в ней физических процессах и о возможностях целенаправленного создания определенных условий распространения радиоволн, а значит, и функционирования тех или иных радиосистем.
Советские исследователи имеют в этих областях немало достижений, а работы радиофизиков Москвы, Горького и других научных центров получили международное признание и в некоторых разделах являются лидирующими.
Кроме того, в последние годы с помощью ИСЗ был проведен ряд интересных экспериментов по воздействию на ионосферу путем выбросов с ИСЗ определенных химических реагентов или испускания пучков заряженных частиц. Широкую известность получил эксперимент с выбросом с ИСЗ воды — точнее водяного пара, сильно снижающего электронную концентрацию в значительном объеме. Этот эксперимент, получивший название «Water Hole» — «Водяная дыра», был проведен над Австралией и подтвердил многие теоретические предсказания, хотя эффект не был столь значителен, как это ожидалось. К нам в Северное полушарие в магнитносопряженную точку в районе Магадана также дошли отзвуки этого эксперимента и наблюдались некоторые ионосферные возмущения.
Заслуживает внимания влияние на состояние ионосферы запусков мощных ракет, вывод на орбиту ИСЗ, которые сопровождаются выбросом большого количества продуктов сгорания топлива реактивных двигательных устройств. Каждый такой пролет образует местные провалы в электронной концентрации, возникающие возмущения распространяются в, ионосфере и регистрируются на соответствующих станциях.
Однако, чем дальше мы продвигаемся в исследовании ионосферы, тем больше возникает вопросов. Особенно много неизученного в области поведения и свойств полярной ионосферы. Например, не вполне понятны источники ионизации во время полярной ночи, недостаточно изучены механизмы переноса заряженных частиц в эти области, нуждается в исследовании реакции полярной ионосферы на возмущения солнечной активности и в солнечном ветре, требуют рассмотрения многие другие вопросы.
Еще далеко не все понятно и в процессах, протекающих в ионосфере в средних широтах, а также в экваториальных областях. Только сейчас начинают проясняться механизмы воздействия земных и наземных процессов (землетрясения, метеорологические процессы и прочие) на состояния ионосферы. Потребуется еще немало усилий, чтобы создать более или менее законченную картину тех явлений, которые протекают в верхней ионосфере и их связи с процессами в магнитосфере Земли и в околоземном пространстве.
Сделано очень много. Выяснен широкий круг явлений, получено множество конкретных данных, и мы сейчас ясно представляем себе, что такое ионосфера. И все же, впереди по-прежнему бесчисленные вопросы — что? как? почему? — и по-прежнему трудно надежно предсказывать, прогнозировать поведение ионосферы, которая столь существенно определяет работу ряда радиосистем. Это заставляет нас активно продолжать изучение ионосферы и, сочетая наземные, ракетные и космические средства, проникать в существо ее поведения и структуры для возможно более полного знания окружающей нас природы и обеспечения надежности действия линий радиосвязи и различных радиосистем, работа которых связана с состоянием ионосферы, составляющей часть околоземного космического пространства.
В. МИГУЛИН, член-корр. АН СССР
Рис. 1. Типичное вертикальное распределение электронной концентрации в ионосфере для дневных и ночных условий
Рис. 2. Типичные высотно-частотные ионограммы среднеширотной ионосферы для ночных (2 а) и дневных (2 б) условий; расщепление монограмм вблизи критических частот связано с влиянием земного магнитного поля
Рис. 3. Размещение исследовательской аппаратуры на ИСЗ «Интеркосмос-19»: ИС-338 — ионосферная станция импульсного зондирования, работающая последовательно на 338 частотах; ЕТМС — единая телеметрическая система; ЛВЧ — анализатор высоких частот в диапазоне от 0, 1 МГц до 5 МГц; ИРС — радиоспектрометр в диапазоне от 0, 6 МГц до 6, 0 МГц; СФ-3 — спектрометр электронов; МЧК — радиостанция «Маяк» (передатчик когерентных радиосигналов)