Ionosonde

Jonosonden  är en specialiserad radar för att bestämma reflektionshöjderna för radiovågor med olika frekvenser från jonosfären , jonosfärens kritiska frekvenser [K 1] och höjdfördelningen av elektrontätheten . Jonosonden inkluderar en pulssändare som arbetar vid flera fasta frekvenser eller i ett kontinuerligt frekvensområde, en antenn som tillhandahåller sändning av sonderingspulser, en mottagare , synkroniseringsanordningar och displayanordningar [2] .

Höjden på jonosfärens skikt bestäms av fördröjningstiden för att ta emot den reflekterade signalen i förhållande till den emitterade, eftersom den faktiska hastigheten för utbredning av radiovågor i reflektionsområdet är mindre än ljusets hastighet och beror på jonosfärens brytningsindex , det är inte den sanna, utan den så kallade skenbara eller "verkande" reflektionshöjden som bestäms. Som ett resultat av att skanna jonosfären vid olika frekvenser erhålls dess höjd-frekvensegenskaper eller jonogram [3] .

Markbaserade jonosonder placerade vid jonosfäriska stationer gör det möjligt att studera den nedre delen av jonosfären, upp till höjden av dess huvudsakliga maximum [K 2] . För studier av den yttre jonosfären placeras jonosonder på geofysiska raketer och på konstgjorda jordsatelliter , som skjuts upp i cirkulära banor, vanligtvis med en höjd av cirka 1000 km [2] [5] .

Historik

Redan 1901 genomförde G. Marconi en radiosändning av ett meddelande över Atlanten, och 1902 föreslog O. Heaviside att förklara detta experiment teorin om jonisering av de övre skikten av atmosfären genom solstrålning med bildandet av en elektriskt ledande skikt som reflekterar radiovågor. Men under lång tid accepterades inte denna teori av forskare, och Marconi-experimentet förklarades av diffraktionen av radiovågor på jordens sfäriska yta. Direkta bevis på förekomsten av ett ledande elektriskt lager i de övre lagren av jordens atmosfär var resultaten av de första experimenten med radioljud av jonosfären, publicerade 1926, utförda av de amerikanska forskarna G. Bright och M. Tuve [6] . I mitten av slutet av 1920-talet skedde en explosiv tillväxt i experimentella studier av jonosfären och de första teorierna om jonosfäriska lager skapades. På 1930-talet uppstod nätverk av laboratorier som studerade jonosfären på olika breddgrader och under olika geofysiska förhållanden med hjälp av radiosonderingsmetoder. På 1950-talet började den industriella produktionen av automatiska jonosonder och ett världsnätverk av cirka 150 jonosfäriska stationer skapades, som genomförde koordinerat, regelbundet, simultant och enhetligt vertikalt radioljud av jonosfären. På 1960-talet började installationen av jonosonder på konstgjorda jordsatelliter, vilket gjorde det möjligt att undersöka jonosfären ovanför regionen med huvudmaximum och studera egenskaperna och egenskaperna hos dess yttre del [7] .

Applikation

Reflexionen av radiovågor, främst av dekameterområdet , från jonosfären är grunden för driften av många radiotekniska system. För att säkerställa och förutsäga driften av dessa system, kunskap om jonosfärens nuvarande egenskaper och deras förväntade förändringar på en global skala krävs. För att studera jonosfären i många länder har specialiserade jonosfäriska tjänster skapats, vars huvudinstrument är jonosfäriska sondstationer eller jonosfäriska stationer [8] .

Huvudobjektet för studien i tillämpad forskning av jonosfären är elektronerna som finns i den, som interagerar med radiosignaler mycket mer effektivt än tunga joner och påverkar deras utbredning [9] . På en makroskopisk skala beskrivs denna effekt i termer av en förändring av mediets permittivitet , vilket är relaterat till elektronkoncentrationen . Förhållandet mellan mediets dielektriska konstant och elektronkoncentrationen uttrycks med formeln:

, där är elektronkoncentrationen, är elektronens laddning, är elektronens massa, är den cirkulära frekvensen för den verkande elektromagnetiska vågen. Detta förhållande kan också uttryckas i termer av den så kallade plasmafrekvensen , som beror på den lokala elektrontätheten: , var är plasmafrekvensen och är vågfrekvensen [8] .

När man låter jonosfären observeras reflektionen av radiovågor från den när deras frekvens sammanfaller med plasmafrekvensen för jonosfärens strukturella egenskaper, d.v.s. när villkoret är uppfyllt . Jonosonder ger information med ett högt signal-brusförhållande och gör det möjligt att mäta elektrondensitetens beroende av höjden i jonosfärplasman med mycket hög noggrannhet. Dessa mätningar kan lätt automatiseras, och komplex datorbehandling av sådana parametrar för den mottagna signalen som gruppfördröjning, amplitud, fas, polarisation och dopplerskiftning gör det möjligt att inte bara få information om elektrondensiteten i jonosfären, traditionellt för jonosonder , men även data om andra parametrar av jordens atmosfär [7] .

Metoder för jonosfärisk sondning

Jonosfärisk sondning delas upp, beroende på var källorna och mottagaren av ljudsignalen befinner sig, i vertikal (VZ), sned (NS), reciprocal-oblique (VIS), extern (VIS) och transionosfärisk (TIZ) [9] .

Vertikalt klingande

Vertikal sondering, där en pulssignal sänds vertikalt uppåt med hjälp av en riktad antenn, och platsen för sändaren och mottagaren av pulserna är densamma, är den vanligaste, känsligaste och mest informativa metoden för att studera den övre atmosfären och nära jorden. Plats. Baserat på fördröjningstiden för mottagning av signalen som reflekteras från jonosfären i förhållande till den sända signalen, beräknas den effektiva reflektionshöjden vid en given frekvens. Eftersom utbredningshastigheten för signaler i jonosfären på grund av deras interaktion med laddade partiklar är mindre än ljusets hastighet, överstiger den effektiva höjden alltid det reflekterande lagrets verkliga höjd, ju högre koncentrationen av laddade partiklar i jonosfären och starkare dess inverkan på signalerna som sprider sig i den. Med VZ ökas frekvensen för bärvågen för radiopulser, varje puls kan lämna antingen ett eller flera spår på jonogrammet , tills frekvensen överstiger den kritiska, vid vilken ingen reflektion av jonosfärens lager observeras [10] .

Snedljud och fram- och återgående klingande

Med flerfrekvent snedljud är jonosodens mottagande och sändande system åtskilda i rymden, och processerna för pulsemission och mottagning synkroniseras i tid med hög noggrannhet. Metoden med snett lodning gör det möjligt att experimentellt undersöka radiovågornas passage vid ett fast avstånd och utvärdera jonosfärens tillstånd i området kring mittpunkten av radiobanan, där signalen reflekteras (single-hop propagation). Oblique probing ger en direkt mätning av den maximalt användbara frekvensen för ett givet radiovägsintervall. De jonogrammen som erhålls som ett resultat av snett ljud återspeglar frekvensberoendet av gruppfördröjningen av signaler som har passerat olika vägar i jonosfären till mottagningspunkten [11] . Vid back-tilt-ljud installeras ytterligare en jonosodmottagare vid samma punkt som sändaren. som tar emot pulser spridda "tillbaka" på jonosfärens inhomogeniteter i mittpunkten av radiobanan. För signaler som tas emot under fram- och återgående sondering är villkoret inte uppfyllt, frekvensberoendet för gruppfördröjningen av signaler associerade med elektronkoncentrationen uppskattas [7] .

Externt radioljud

Externt ljud är en metod för radioljud av jonosfären, där jonosodens sändare och mottagare är installerade på en konstgjord jordsatellit . Extern sondering gör det möjligt att få information om struktur och processer på höjder mellan satellitbanan och det kritiska lagret. I händelse av att rymdfarkostens omloppsbana ligger under F 2 -skiktets höjd kan termen "internt radioljud" användas. Med extern sondering kan information om den kritiska frekvensen och höjden för maximum av F 2 -skiktet och fördelningen av elektrontätheten från höjden av satellitbanan till F 2 -skiktet erhållas, otillgänglig för markbaserad sondering . Samtidigt ger extern sondering ingen information om jonosfärens F 1 , D och E inre skikt som studerats med marksonderingsmetoder [12] . De första experimenten med extern sondering av jonosfären började 1962 på den kanadensiska satelliten Alouette 1 , som fungerade i cirka 7 år. Därefter fortsatte dessa studier på de kanadensiska satelliterna Alouette 2 och ISIS , American Explorer-20 , Soviet Kosmos-381 , Interkosmos-19 , Kosmos-1809 , Japanese Ohzora (EXOS-C) [13] [14] .

Installationen av en jonosond på rymdfarkoster som undersöker jonosfären används relativt sällan, eftersom den kräver sändare med en effekt på hundratals watt och stora antennsystem, och jonosodens funktion stör driften av andra satellitsystem och begränsar antalet samtidigt genomförde studier. Den sista satelliten från vilken extern sondering av jonosfären utfördes var Kosmos-1809, som opererade 1986-1993. I slutet av 1990-talet utfördes radioljud av jonosfären från Mir-omloppsstationen , men dess låga omloppsbana tillät inte att utforska det övre lagret av jonosfären [15] [16] . Sedan början av 2000-talet förbereds lanseringen av det ryska specialiserade multisatellitkomplexet "Ionozond" , som kommer att inkludera satelliter "Ionosfera-M", utrustade, tillsammans med annan vetenskaplig utrustning, med jonosoder [17] [18] .

Transionosfäriskt ljud

Transionosfärisk sondning utförs också med jonosondsändare installerade på rymdfarkoster. I detta fall är mottagaren placerad vid markstationen och måste synkroniseras med hög noggrannhet med sändarens pulser. För synkronisering används en separat radiokanal mellan satelliten och markstationen, som arbetar vid höga frekvenser, i storleksordningen 100 MHz eller mer, och sänder tidsstämplar. Sondsignalen med variabel frekvens sänds från satelliten i kortvågsbandet. Vid markstationen är fördröjningen av sonderingssignalen i förhållande till synkroniseringssignalen fixerad, och frekvensberoendet för denna fördröjning, omräknat till avstånd, registreras i form av ett transionogram. Omvänt transionosfäriskt ljud används också när en ljudsignal med variabel frekvens sänds ut av en markstation, och funktionen av dess frekvensfördröjning registreras av satellitens inbyggda utrustning och sänds till jorden via en telemetrikanal . Världens första experiment med framåt- och bakåtgående transionosfärisk sondning utfördes på rymdfarkosten Interkosmos-19 1979 [19] och fortsatte på Kosmos-1809 och Mir-stationen [20] [21] . För transionosfäriskt ljud används också navigeringssatellitsignaler , enligt utbredningsdata för vilka det är möjligt att uppskatta koncentrationen av elektroner längs deras väg genom jonosfären [22] .

Anteckningar

Kommentarer
  1. ↑ Kritisk frekvens - den högsta frekvensen vid vilken vertikalt riktade radiovågor reflekteras från ett givet skikt av jonosfären [1]
  2. ↑ Det huvudsakliga maximumet är området med den högsta koncentrationen av elektroner i jonosfären, på en höjd av 250-400 km. Höjden på huvudmaximum varierar beroende på tid på dygnet, solaktivitet och andra förhållanden [4]
Källor
  1. ↑ Dymovich N. D., 1964 , kapitel 2. Jonosfärens struktur.
  2. ↑ 1 2 Ionosonde // Cosmonautics: Encyclopedia / Ch. ed. V. P. Glushko ; Redaktionsråd: V. P. Barmin , K. D. Bushuev , V. S. Vereshchetin och andra. - M . : Soviet Encyclopedia, 1985.
  3. ↑ Jonosfäriska fenomen (beskrivning) . World Data Center for Solar-Terrestrial Physics . Ryska vetenskapsakademins geofysiska centrum . Hämtad 8 november 2021. Arkiverad från originalet 31 januari 2020.
  4. ↑ G. P. Grudinskaya. Experimentella data om jonosfärens struktur // Utbredning av radiovågor . - M . : Högre skola, 1975.
  5. ↑ IPG Proceedings, 2008 , Förord.
  6. ↑ FC Judd, G2BCX. Radiovågsutbredning (HF-band  ) . - London: Heinemann, 1987. - S. 12-20, 27-37. - ISBN 978-0-434-90926-1 .
  7. ↑ 1 2 3 N. P. Danilkin. Systemiskt radioljud - grunden för att bygga en tjänst för övervakning av jonosfärens tillstånd  // Jonosfärisk-magnetisk tjänst: insamling. - L . : Gidrometizdat, 1987.
  8. ↑ 1 2 Yu. K. Kalinin, V. V. Alpatov, A. Yu. Repin, A. V. Shchelkalin. Frågor om jonosfärens vertikala och sneda  sondering // Heliogeofysiska undersökningar. - 2018. - Utgåva. 20 . — ISSN 2304-7380 .
  9. ↑ 1 2 VNIIGMI-WDC, 2015 , Huvudmetoder för jonosfäriska observationer.
  10. ↑ VNIIGMI-WDC, 2015 , Metod för vertikal radioljud av jonosfären.
  11. ↑ VNIIGMI-WDC, 2015 , Metod för snett radioljud av jonosfären.
  12. ↑ VNIIGMI-WDC, 2015 , Externt radioljud av jonosfären.
  13. ↑ IPG Proceedings, 2008 , Ionospheric Observations, p. 134-140.
  14. ↑ IONOZOND / IONOZOND . IKI RAS . Hämtad 28 januari 2022. Arkiverad från originalet 28 januari 2022.
  15. ↑ A.V. Podlesnyi, A.A. Naumenko, M.V. Cedrik. Uppskattning av antennkopplingsfaktor för problem med jonosfär på ovansidan som låter från rymden av pipsignaler  //  Solar-Terrestrial Physics: journal. - 2019. - Vol. 5 , nej. 4 . - S. 101-107 . - doi : 10.12737/stp-54201914 .
  16. ↑ Proceedings of IPG, 2008 , Radioljud av jonosfären från MIR-rymdstationen, sid. 169-171.
  17. ↑ Arbetet med Ionozond-2025-projektet återupptas . Presscentrum för IKI RAS . Hämtad 21 december 2021. Arkiverad från originalet 09 juli 2021.
  18. ↑ Rymdkomplex "Ionozond" . Rymdfarkosten "Jonosfären" . VNIEM . Hämtad 21 december 2021. Arkiverad från originalet 12 december 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. Preliminära resultat av studien av transionosfärisk skenning av transionosfärism och///satellit-19-ljud från satelliten  och kosmos . aeronomi: tidskrift. - 1981. - T. 21 , nr 6 . - S. 1117-1120 .
  20. ↑ Proceedings of IPG, 2008 , Transionospheric sounding, sid. 83-90.
  21. ↑ Forskning om jonosfären med metoden för transionosfärisk klingande . IZMIRAN . Hämtad 23 december 2021. Arkiverad från originalet 13 juli 2018.
  22. ↑ A. O. Kupriyanov, V. V. Tikhonov, D. A. Morozov, A. Yu. Perminov. Operativ övervakning av jonosfäriska parametrar i det lokala området baserat på resultat av multifrekventa GNSS-mätningar  . Geodesi och flygfotografering. - 2018. - T. 62 , nr 6 .

Litteratur