Ionosonda

Iosonda  je specializovaný radar pro stanovení výšek odrazu rádiových vln různých frekvencí od ionosféry , kritických frekvencí ionosféry [K 1] a výškového rozložení hustoty elektronů . Ionosonda obsahuje pulzní vysílač pracující na několika pevných frekvencích nebo v kontinuálním frekvenčním rozsahu, anténu , která zajišťuje přenos snímacích pulzů, přijímač , synchronizační zařízení a zobrazovací prostředky [2] .

Výška vrstev ionosféry je určena dobou zpoždění příjmu odraženého signálu vzhledem k vyzařovanému, avšak skutečná rychlost šíření rádiových vln v oblasti odrazu je menší než rychlost světla a závisí na index lomu ionosféry, neurčuje se skutečná, ale takzvaná zdánlivá neboli „působící“ výška odrazu. V důsledku skenování ionosféry na různých frekvencích se získávají její výškově-frekvenční charakteristiky neboli ionogramy [3] .

Pozemní ionosondy umístěné na ionosférických stanicích umožňují studovat spodní část ionosféry, až do výšky jejího hlavního maxima [K 2] . Pro studium vnější ionosféry se ionosondy umísťují na geofyzikální rakety a umělé družice Země , které jsou vypouštěny na kruhové dráhy obvykle s výškou kolem 1000 km [2] [5] .

Historie

Ještě v roce 1901 provedl G. Marconi rádiový přenos zprávy přes Atlantský oceán a v roce 1902 O. Heaviside navrhl vysvětlit tento experiment teorii ionizace horních vrstev atmosféry slunečním zářením za vzniku tzv. elektricky vodivá vrstva odrážející rádiové vlny. Tato teorie však nebyla vědci dlouho přijata a Marconiho experiment byl vysvětlen difrakcí rádiových vln na kulovém povrchu Země. Přímým důkazem existence vodivé elektrické vrstvy v horních vrstvách zemské atmosféry byly výsledky prvních experimentů s rádiovým sondováním ionosféry publikovaných v roce 1926, které provedli američtí vědci G. Bright a M. Tuve [6] . V polovině 20. let 20. století došlo k explozivnímu růstu experimentálních studií ionosféry a byly vytvořeny první teorie ionosférických vrstev. Ve 30. letech se objevily sítě laboratoří, které studovaly ionosféru v různých zeměpisných šířkách a za různých geofyzikálních podmínek pomocí metod rádiového sondování. V 50. letech 20. století začala průmyslová výroba automatických ionosond a vznikla světová síť asi 150 ionosférických stanic provádějících koordinované, pravidelné, simultánní a jednotné vertikální rádiové ozvučení ionosféry. V 60. letech 20. století začala instalace ionosond na umělé družice Země, které umožnily sondovat ionosféru nad oblastí hlavního maxima a studovat rysy a vlastnosti její vnější části [7] .

Aplikace

Odraz rádiových vln především dekametrového rozsahu od ionosféry je základem pro provoz mnoha radiotechnických systémů.Pro zajištění a predikci provozu těchto systémů je zapotřebí znalost současných vlastností ionosféry a jejich očekávaných změn na je vyžadováno globální měřítko. Pro studium ionosféry v mnoha zemích byly vytvořeny specializované ionosférické služby, jejichž hlavním nástrojem jsou ionosférické sondážní stanice neboli ionosférické stanice [8] .

Hlavním předmětem studia v aplikovaném výzkumu ionosféry jsou v ní přítomné elektrony, které interagují s rádiovými signály mnohem účinněji než těžké ionty a ovlivňují jejich šíření [9] . V makroskopickém měřítku je tento efekt popsán jako změna permitivity prostředí , která souvisí s koncentrací elektronů . Vztah mezi dielektrickou konstantou prostředí a koncentrací elektronů je vyjádřen vzorcem:

, kde je koncentrace elektronu, je náboj elektronu, je hmotnost elektronu, je kruhová frekvence působící elektromagnetické vlny. Tento vztah lze také vyjádřit pomocí takzvané plazmové frekvence , která závisí na místní hustotě elektronů: , kde je frekvence plazmatu a je frekvence vlny [8] .

Při sondování ionosféry je pozorován odraz rádiových vln od ní , když se jejich frekvence shoduje s plazmatickou frekvencí strukturních znaků ionosféry, tedy když je splněna podmínka . Ionosondy poskytují informace s vysokým odstupem signálu od šumu a umožňují s velmi vysokou přesností měřit závislost hustoty elektronů v ionosférickém plazmatu na výšce. Tato měření lze snadno automatizovat a složité počítačové zpracování takových parametrů přijímaného signálu, jako je skupinové zpoždění, amplituda, fáze, polarizace a Dopplerův posun, umožňuje získat nejen informace o hustotě elektronů v ionosféře, tradiční pro ionosondy. , ale i údaje o dalších parametrech zemské atmosféry [7] .

Metody ionosférického sondování

Ionosférická sondáž se dělí v závislosti na umístění zdrojů a přijímačů sondážního signálu na vertikální (VZ), šikmé (NS), recipročně-šikmé (VIS), vnější (VIS) a transionosférické (TIZ) [9] .

Vertikální sondování

Vertikální sondování, při kterém je pulsní signál vysílán svisle nahoru pomocí směrové antény a umístění vysílače a přijímače pulsů je stejné, je nejběžnější, nejcitlivější a informativní metoda pro studium horních vrstev atmosféry a blízké Země. prostor. Na základě doby zpoždění příjmu signálu odraženého od ionosféry vzhledem k vysílanému signálu se vypočítá efektivní výška odrazu při dané frekvenci. Protože rychlost šíření signálů v ionosféře v důsledku jejich interakce s nabitými částicemi je menší než rychlost světla, efektivní výška vždy převyšuje skutečnou výšku odrazné vrstvy, čím vyšší je koncentrace nabitých částic v ionosféře a tím vyšší je silnější jeho vliv na signály šířící se v něm. U VZ se zvyšuje frekvence nositele rádiových pulsů, každý puls může zanechat na ionogramu jednu nebo několik stop , dokud frekvence nepřekročí kritickou frekvenci, při které není pozorován žádný odraz vrstvami ionosféry [10] .

Šikmé znějící a reciproční znějící

Při vícefrekvenčním šikmém ozvučení jsou přijímací a vysílací systémy ionosondy v prostoru od sebe vzdáleny a procesy vysílání a příjmu pulzů jsou synchronizovány v čase s vysokou přesností. Metoda šikmého sondování umožňuje experimentálně zkoumat průchod rádiových vln v pevném rozsahu a vyhodnocovat stav ionosféry v oblasti středu rádiové dráhy, kde se signál odráží (šíření jedním skokem). Šikmé sondování poskytuje přímé měření maximální použitelné frekvence pro daný rozsah rádiové cesty. Ionogramy získané jako výsledek šikmého sondování odrážejí frekvenční závislost skupinového zpoždění signálů, které prošly různými cestami v ionosféře až do bodu příjmu [11] . Při zpětném náklonu je na stejném místě jako vysílač instalován ještě jeden ionosondový přijímač. který přijímá pulsy rozptýlené "zpět" na nehomogenitách ionosféry ve středu rádiové dráhy. Pro signály přijaté při recipročním sondování není podmínka splněna, odhadne se frekvenční závislost skupinového zpoždění signálů souvisejících s koncentrací elektronů [7] .

Externí ozvučení rádia

Externí sondování je metoda rádiového sondování ionosféry, při které se vysílač a přijímač ionosondy instalují na umělou družici Země . Externí sondování umožňuje získat informace o struktuře a procesech ve výškách mezi dráhou satelitu a kritickou vrstvou. V případě, že oběžná dráha kosmické lodi leží pod výškou vrstvy F 2 , může být použit termín „interní rádiové sondování“. Externím sondováním lze získat informace o kritické frekvenci a výšce maxima vrstvy F 2 a rozložení elektronové hustoty od výšky oběžné dráhy satelitu k vrstvě F 2 , nepřístupné pro pozemní sondování . Vnější sondování přitom neposkytuje informace o vnitřních vrstvách ionosféry F 1 , D a E studovaných metodami pozemní sondáže [12] . První experimenty s externím sondováním ionosféry začaly v roce 1962 na kanadské družici Alouette 1 , která fungovala asi 7 let. Následně tyto studie pokračovaly na kanadských satelitech Alouette 2 a ISIS , American Explorer-20 , Sovětský Kosmos-381 , Interkosmos-19 , Kosmos-1809 , Japonská Ohzora (EXOS-C) [13] [14] .

Instalace ionosondy na kosmické lodi zkoumající ionosféru se používá poměrně zřídka, protože vyžaduje vysílače s výkonem stovek wattů a velké anténní systémy a provoz ionosondy narušuje provoz jiných satelitních systémů a omezuje počet současně prováděné studie. Poslední družicí, ze které bylo prováděno vnější sondování ionosféry, byl Kosmos-1809, který fungoval v letech 1986-1993. Koncem 90. let 20. století byl proveden rádiový průzkum ionosféry z orbitální stanice Mir , ale její nízká oběžná dráha neumožňovala prozkoumat horní vrstvu ionosféry [15] [16] . Od počátku roku 2000 se připravuje start ruského specializovaného multidružicového komplexu „Ionozond“ , jehož součástí budou družice „Ionosfera-M“, vybavené spolu s dalším vědeckým vybavením ionosondami [17] [18] .

Transionosférické sondování

Transionosférické sondování se také provádí pomocí ionosondových vysílačů instalovaných na kosmické lodi. V tomto případě je přijímač umístěn na pozemní stanici a musí být s vysokou přesností synchronizován s vysílačem vysílajícím impulsy. Pro synchronizaci se mezi satelitem a pozemní stanicí používá samostatný rádiový kanál, pracující na vysokých frekvencích, řádově 100 MHz nebo více, a vysílající časové značky. Snímací signál s proměnnou frekvencí je vysílán ze satelitu v pásmu krátkých vln. Na pozemní stanici je zpoždění snímacího signálu vůči synchronizačnímu signálu fixní a frekvenční závislost tohoto zpoždění, přepočtená na vzdálenost, je zaznamenána ve formě transionogramu. Používá se také inverzní transionosférické sondování, kdy je pozemní stanicí vysílán sondážní signál s proměnnou frekvencí a funkce jeho frekvenčního zpoždění je zaznamenávána palubním zařízením družice a přenášena na Zemi telemetrickým kanálem . První světové experimenty s dopředným a zpětným transionosférickým sondováním byly provedeny na kosmické lodi Interkosmos-19 v roce 1979 [19] a pokračovaly na Kosmos-1809 a stanici Mir [20] [21] . Pro transionosférické sondování se také používají signály navigačních družic , podle jejichž šíření lze odhadnout koncentraci elektronů podél jejich cesty ionosférou [22] .

Poznámky

Komentáře
  1. ↑ Kritická frekvence – nejvyšší frekvence, při které se vertikálně směrované rádiové vlny odrážejí od dané vrstvy ionosféry [1]
  2. ↑ Hlavní maximum je oblast nejvyšší koncentrace elektronů v ionosféře, ve výšce 250-400 km. Výška hlavního maxima se mění v závislosti na denní době, sluneční aktivitě a dalších podmínkách [4]
Prameny
  1. ↑ Dymovich N. D., 1964 , kapitola 2. Struktura ionosféry.
  2. ↑ 1 2 Ionosonda // Kosmonautika: Encyklopedie / Ch. vyd. V. P. Glushko ; Redakční rada: V. P. Barmin , K. D. Bushuev , V. S. Vereshchetin a další. - M .: Sovětská encyklopedie, 1985.
  3. ↑ Ionosférické jevy (popis) . Světové datové centrum pro fyziku Slunce a Země . Geofyzikální centrum Ruské akademie věd . Získáno 8. listopadu 2021. Archivováno z originálu dne 31. ledna 2020.
  4. ↑ G. P. Grudinskaya. Experimentální data o struktuře ionosféry // Šíření rádiových vln . - M .: Vyšší škola, 1975.
  5. ↑ IPG Proceedings, 2008 , Předmluva.
  6. ↑ FC Judd, G2BCX. Šíření rádiových vln (HF pásma  ) . - Londýn: Heinemann, 1987. - S. 12-20, 27-37. - ISBN 978-0-434-90926-1 .
  7. ↑ 1 2 3 N. P. Danilkin. Systémové rádiové sondování - základ pro vybudování služby pro sledování stavu ionosféry  // Ionosféricko-magnetická služba: sběr. - L .: Gidrometizdat, 1987.
  8. ↑ 1 2 Yu. K. Kalinin, V. V. Alpatov, A. Yu. Repin, A. V. Shchelkalin. Problematika vertikálního a šikmého sondování ionosféry  // Heliogeofyzikální výzkumy. - 2018. - Vydání. 20 . — ISSN 2304-7380 .
  9. ↑ 1 2 VNIIGMI-WDC, 2015 , Hlavní metody ionosférických pozorování.
  10. ↑ VNIIGMI-WDC, 2015 , Metoda vertikálního rádiového sondování ionosféry.
  11. ↑ VNIIGMI-WDC, 2015 , Metoda šikmého rádiového sondování ionosféry.
  12. ↑ VNIIGMI-WDC, 2015 , Externí rádiové sondování ionosféry.
  13. ↑ IPG Proceedings, 2008 , Ionospheric Observations, str. 134-140.
  14. ↑ IONOZOND / IONOZOND . IKI RAS . Získáno 28. ledna 2022. Archivováno z originálu dne 28. ledna 2022.
  15. ↑ A. V. Podlesnyi, A. A. Naumenko, M. V. Cedrik. Odhadování činitele vazby antény pro problém horní ionosféry znějící z vesmíru cvrlikáním signálů  //  Solar-Terrestrial Physics: journal. - 2019. - Sv. 5 , č. 4 . - str. 101-107 . - doi : 10.12737/stp-54201914 .
  16. ↑ Proceedings of IPG, 2008 , Rádiové sondování ionosféry z vesmírné stanice MIR, str. 169-171.
  17. ↑ Práce na projektu Ionozond-2025 jsou obnoveny . Tiskové středisko IKI RAS . Získáno 21. prosince 2021. Archivováno z originálu dne 09. července 2021.
  18. ↑ Vesmírný komplex "Ionozond" . Kosmická loď "Ionosféra" . VNIIEM . Získáno 21. prosince 2021. Archivováno z originálu dne 12. prosince 2021.
  19. ↑ Vasiliev G. V., Goncharov L. P., Danilkin N. P., Ivanov I. I., Kiselev G. N., Kovalev S. V., Kushnerevsky Yu. V., Smirnov S. D., Fligel M. D. Předběžné výsledky studia transionosférického a znějícího z družice "  /Intermagnetko -19" aeronomie: deník. - 1981. - T. 21 , č. 6 . - S. 1117-1120 .
  20. ↑ Proceedings of IPG, 2008 , Transionospheric sounding, str. 83-90.
  21. ↑ Výzkum ionosféry metodou transionosférického sondování . IZMIRAN . Získáno 23. prosince 2021. Archivováno z originálu dne 13. července 2018.
  22. ↑ A. O. Kupriyanov, V. V. Tichonov, D. A. Morozov, A. Yu. Perminov. Provozní monitorování ionosférických parametrů v místní oblasti na základě výsledků multifrekvenčního měření GNSS  . Geodézie a letecké snímkování. - 2018. - T. 62 , č. 6 .

Literatura