§ 4.16. Исследование ионосферы методом вертикального зондирования. Устройство и принцип действия ионосферной станции

Экспериментальное исследование ионосферы ведется главным образом при помощи радиометодов, т. е. путем изучения условий прохождения и отражения радиоволн в ионосфере. Рассмотрим кратко метод вертикального зондирования ионосферы импульсами, являющийся до настоящего времени основным способом исследования структуры ионосферы. Исследование ионосферы этим методом осуществляется при помощи ионосферной станции.

Ионосферной станцией называется приемно-передающее устройство, позволяющее экспериментально определить зависимость высоты отражения от постепенно изменяемой частоты вертикально направленной волны. Упрощенная структурная схема ионосферной станции изображена на рис. 4.21.

Рис. 4.21. Структурная схема ионосферной станции: 1 - передатчик; 2 - приемник; 3 - антенна; 4 - индикатор; 5 - импульсный модулятор; 6 - генератор развертки

Передатчик работает в импульсном режиме с длительностью импульса примерно 50÷70 мкс. Рабочая частота передатчика плавно изменяется в диапазоне от 1 до 20 МГц за время 20÷30 мкс. Частоту следования импульсов обычно выбирают 50 Гц. Мощность передатчика в импульсе составляет в зависимости от предъявляемых требований Р_и = 1÷20 кВт. Максимум излучения антенны направляется вертикально вверх [13].

Приемник синхронно настраивают с изменением частоты передатчика для чего применяют схему, в которой задающий каскад передатчика является одновременно гетеродином приемника. Сигнал со входа приемника подается на индикатор, которым служит электроннолучевая трубка. Используют индикаторы типа А с линейной разверткой или панорамные индикаторы типа В.

Ионосферная станция с простейшим индикатором типа А работает следующим образом. Устанавливается некоторая рабочая частота передатчика. Излученный вертикально вверх импульс отражается от ионосферы на той высоте, где f = f₀, принимается ионосферной станцией и подается на вертикальные пластины электроннолучевой трубки.

На горизонтальные пластины трубки подается пилообразное напряжение развертки, пропорциональное времени. Для синхронизации генератора развертки используют импульс манипулятора. В начале развертки находят изображение импульса передатчика, а изображение отраженного импульса отстоит на расстоянии, пропорциональном времени запаздывания Δt.

Полагая, что волна проходит весь путь со скоростью света, определяют так называемую действующую высоту отражения:

Таким образом, устанавливают, что на измеренной высоте h_g собственная частота ионизированного газа равна данной рабочей частоте. Затем, меняя рабочую частоту передатчика, повторяют процедуру измерения и так снимают зависимость высоты отражения от рабочей частоты передатчика, показывающую распределение собственных частот ионизированного газа по высоте. Эта зависимость называется высотно-частотной характеристикой ионосферы (рис. 4.22, а).

Рис. 4.22. Высотно-частотные характеристики ионосферы, снятые наземной станцией

Зная, что отражение волны данной рабочей частоты происходит на высоте, где

можно построить зависимость N_э от высоты. Однако отражение может происходить только ниже максимума ионизации и, следовательно, этот метод не дает возможности получить сведения об электронной плотности выше максимума ионизации.

В более сложных панорамных станциях используют индикатор типа В, в котором высотная развертка подается на вертикальные пластины электроннолучевой трубки. На горизонтальные пластины подается развертка, синхронизированная с изменением частоты передатчика. Частота передатчика изменяется автоматически и начало отсчета высот синхронно перемещается вдоль горизонтальной шкалы. Тогда на экране трубки с длительным послесвечением вырисовывается непосредственно высотно-частотная характеристика, которую наблюдают или фотографируют. Типичная высотно-частотная характеристика изображена на рис. 4.22, б.

Высотно-частотная характеристика слоя F обычно раздвоена. Это происходит потому, что под действием постоянного мандатного поля Земли волна расщепляется на две волны - обыкновенную и необыкновенную, которые отражаются от разных уровней электронной плотности. При повышении рабочей частоты, согласно выражению (4.103), сначала нарушаются условия отражения для необыкновенной волны, а затем для обыкновенной, что приводит к разнице в критических частотах и раздвоению высотно-частотной характеристики. Если носителями зарядов являются ионы, а не электроны, то раздвоения характеристики не наблюдается, так как гирочастота для ионов не превышает нескольких килогерц.

Из рассмотрения высотно-частотных характеристик видно, что высота отражения с изменением рабочей частоты сначала почти не меняется, а затем вблизи некоторой частоты резко возрастает и высотно-частотная характеристика разрывается. Затем отражение начинается на большей высоте, и картина снова повторяется.

Высотно-частотная характеристика разрывается при критической частоте, что соответствует максимальному значению N_э. На характеристиках отмечают величины f_кр.

При определении высоты отражения предполагалось, что весь путь импульс проходит со скоростью света с‾. В действительности часть пути импульс проходит со скоростью  
меньшей скорости света. Это приводит к тому, что высота отражения на самом деле меньше действующей высоты, определяемой на ионосферной станции.

Соотношение между действующей высотой и высотой отражения схематично показано на рис. 4.23, где h₀ - высота нижней границы ионосферного слоя, h_д = h₀ + z₀ - высота отражения, h_д′ = h_д + z_д - действующая высота.

Рис. 4.23. К пояснению соотношения между действующей высотой и высотой отражения радиоволн

Расстояние h₀ импульс проходит со скоростью света, а далее распространяется со скоростью, меньшей скорости света. Время, которое импульс затрачивает на прохождение до точки отражения и обратно, определяется выражением

Если предположить, что весь путь до точки отражения импульс проходит со скоростью с‾, то время t можно определить проще:

Приравнивая правые части этих выражений, легко найти действующую высоту:

Из полученного уравнения видно, что действующая высота стремится к бесконечности, если интеграл в правой части не сходится. Можно математически показать, что это имеет место, когда отражение происходит вблизи максимума ионизации при f ≈ f_кр. Действительно, в этом случае волна проходит большое расстояние в среде, где диэлектрическая проницаемость и групповая скорость близки к нулю, поскольку вблизи максимума ионизации электронная плотность меняется медленно. Импульс претерпевает большое запаздывание, что приводит к существенному завышению действующей высоты по сравнению с высотой отражения. Это видно из высотно-частотной характеристики. Вблизи нижней границы ионосферы запаздывание импульса не велико и величины h_д и h_д′ совпадают. Найти числовые соотношения между действующей высотой и высотой отражения можно, задавшись каким-либо законом изменения электронной плотности по высоте.

Таким образом, при помощи ионосферной станции измеряют две основные величины, необходимые для расчета радиолиний: высоту нижней границы ионосферного слоя h₀ и критическую частоту f_кр. Эти величины для каждого из слоев обозначают индексом данного слоя. Например, для слоя F записывают h_0F и f_{кp F}.

Ионосферные станции размещены по всему земному шару.

Наблюдение на ионосферных станциях позволяет устанавливать число максимумов ионизации ионосферы; определять закон изменения электронной плотности по высоте ниже максимума ионизации; выяснять законы изменения электронной плотности (и f_кр) в течение суток, года (рис. 4.24), цикла солнечной активности (рис. 4.25, а) и распределение электронной плотности по земному шару; исследовать нерегулярные явления в ионосфере. На рассмотренных ионосферных станциях нельзя определить распределение электронной плотности выше максимума ионизации, особенно выше слоя F. Трудно исследовать ионосферу на высоте ниже 100 км (слой D), так как нужны длинноволновые станции, излучающие короткие импульсы вертикально вверх.

Рис. 4.24. Суточное изменение критических частот на средних широтах

Рис. 4.25. Зависимость критических частот от солнечной активности: а - изменение критических частот по сезонам в течение цикла солнечной активности; б - изменение критических частот в зависимости от числа солнечных пятен (октябрь, Москва)

Систематические наблюдения за изменением параметров ионосферы позволяют составить радиопрогнозы критических частот и высот ионосферных слоев. Радиопрогнозы подразделяют на две группы - долгосрочные и краткосрочные. Задачей долгосрочных прогнозов является определение среднего состояния ионосферы для того периода, на который составляется прогноз. Краткосрочными являются прогнозы периодов ионосферных возмущений, вероятных отклонений параметров ионосферы по сравнению со спокойными условиями.

Исходными для долгосрочного прогнозирования являются данные ионосферных станций. Критические частоты ионосферных слоев меняются в течение суток, года и цикла солнечной активности. Для отражения этих изменений прогноз составляют на каждый месяц каждого года в течение цикла солнечной активности. Для определения суточного хода критических частот служат месячные медианные значения f_кр, вычисленные на ионосферных станциях по ежедневным наблюдениям.

Для характеристики географического распределения f_кр используют данные наблюдений мировой сети ионосферных станций. В основу прогноза положена зависимость f_кр от солнечной активности, характеризуемой числом солнечных пятен (см. рис. 4.25, б). Эта зависимость позволяет при известном числе солнечных пятен оценить критическую частоту f_кр. Прогноз числа солнечных пятен составляет Главная астрономическая обсерватория (Пулково). На основе прогноза для отдельных пунктов составляют мировые карты, на которых наносят линии равных критических частот для каждого ионосферного слоя. Для тех районов, где нет ионосферных станций, данные интерполируют, используя при этом измерения ионосферных станций, установленных на спутниках. Для критических частот слоя F₂ составляют карты для каждого четного часа московского времени. Карты публикуются в выпусках "Месячный прогноз распространения радиоволн" [58].