Просмотр кода страницы Ионозонд

{{другие значения|Ионозонд (значения)}}
[[Файл:Canadian Advanced Digital Ionosonde.jpg|thumb|Современный ионозонд, состоящий из синхронизированных импульсного передатчика и приёмника и компьютерной системы отображения [[Ионограмма|ионограмм]]]]
'''Ионозонд''' — специализированный [[радиолокатор]] для определения высот отражения [[Радиоволны|радиоволн]] различных частот от [[Ионосфера|ионосферы]], критических частот ионосферы{{ref+| Критическая частота — наибольшая частота, при которой радиоволны, направленные вертикально, отражаются от данного слоя ионосферы{{sfn|Дымович Н. Д.|1964|loc=Глава 2. Строение ионосферы}}|K}} и высотного распределения концентрации [[электрон]]ов. В состав ионозонда входит импульсный [[Радиопередатчик|передатчик]], работающий на нескольких фиксированных частотах или в непрерывном диапазоне частот, [[антенна]], обеспечивающая передачу зондирующих импульсов, [[Радиоприёмник|приёмник]], [[Синхронизация колебаний|синхронизирующие]] устройства и средства отображения<ref name=Космонавтика:Энциклопедия> {{книга|заглавие=Космонавтика: Энциклопедия|год=1985|ответственный=Гл. ред. [[Глушко, Валентин Петрович|В. П. Глушко]]; Редколлегия: [[Бармин, Владимир Павлович|В. П. Бармин]], [[Бушуев, Константин Давыдович|К. Д. Бушуев]], В. С. Верещетин и др.|издательство=Советская энциклопедия|место=М.|язык=ru|часть=Ионозонд}}</ref>.

Высота [[Ионосфера#Структура ионосферы|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 [[показатель преломления|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 [[ионограмма|ионограммы]]<ref>{{cite web|url=http://www.wdcb.ru/stp/ionosphere/ionosphere_description.ru.html|title=Ионосферные явления (описание)|website=Мировой Центр Данных по  Солнечно-Земной Физике|publisher=[[Геофизический центр РАН]]|accessdate=2021-11-08|lang=ru|archive-date=2020-01-31|archive-url=https://web.archive.org/web/20200131012627/http://www.wdcb.ru/stp/ionosphere/ionosphere_description.ru.html|deadlink=no}}</ref>.

Наземные ионозонды, размещаемые на ионосферных станциях, позволяют изучать нижнюю часть ионосферы, до высоты её главного максимума{{ref+|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<ref>{{книга|автор=Г. П. Грудинская |заглавие=Распространение радиоволн|год=1975|издательство=Высшая школа|место=М.|язык=ru|часть=Экспериментальные данные о строении ионосферы}}</ref>|K}}. Для исследований внешней ионосферы ионозонды размещаются на [[Геофизическая ракета|геофизических ракетах]] и на [[ИСЗ|искусственных спутниках Земли]], которые выводятся на круговые орбиты, как правило с высотой около 1000 км<ref name=Космонавтика:Энциклопедия />{{sfn|Труды ИПГ|2008|loc=Предисловие}}.

== История ==
Ещё в 1901 году [[Маркони, Гульельмо|Г. Маркони]] осуществил радиопередачу сообщения через Атлантический океан, а в 1902 году [[Хевисайд, Оливер|О. Хевисайд]] предложил для объяснения этого эксперимента теорию [[Ионизация|ионизации]] верхних слоёв атмосферы [[Солнечная радиация|солнечным излучением]] c образованием отражающего радиоволны электропроводящего слоя. Однако, длительное время эта теория не принималась учёными, а эксперимент Маркони объясняли [[Дифракция|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 [[Брейт, Грегори|Г. Брайтом]] и {{iw|Тьюв, Мерль|М. Тьювом|en|Merle Tuve}}<ref>{{книга|издательство=Heinemann|заглавие=Radio Wave Propagation (HF Bands)|автор=F.C. Judd, G2BCX|год=1987|место=London|isbn=978-0-434-90926-1|pages=12–20, 27–37|язык=en}}</ref>. 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 [[Географические координаты|широтах]] и в различных [[геофизика|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<ref name=Данилкин1>{{статья|автор=Н. П. Данилкин|заглавие=Системное радиозондирование — основа построения службы контроля состояния ионосферы|издание=Ионосферно-магнитная служба|тип=сборник|год=1987|издательство=Гидрометиздат|место=Л.|язык=ru}}</ref>.

== Применение ==
Отражение радиоволн, прежде всего [[короткие волны|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<ref name=вопросы_зондирования>{{статья|автор=Ю. К. Калинин, В. В. Алпатов, А. Ю. Репин, А. В. Щелкалин|заглавие=Вопросы вертикального и наклонного зондирования ионосферы|издание=Гелиогеофизические исследования|год=2018|выпуск=20|issn=2304-7380|язык=ru|ref=Ю. К. Калинин, В. В. Алпатов и др.|}}</ref>.

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{{sfn|ВНИИГМИ-МЦД|2015|loc=Основные методы ионосферных наблюдений}}. В макроскопическом масштабе это влияние описывается через изменение [[Диэлектрическая проницаемость|диэлектрической проницаемости]] среды <math>\varepsilon</math>, связанной с концентрацией электронов <math>\Nu_e</math>. Связь между диэлектрической проницаемостью среды и электронной концентрацией выражается формулой: 
:<math>\varepsilon=1-4\pi\Nu_eq^2/m\omega^2</math>, где <math>\Nu_e</math> — электронная концентрация, <math>q</math> — заряд электрона, <math>m</math> — масса электрона, <math>\omega</math> — [[круговая частота]] воздействующей электромагнитной волны. 
:Это соотношение также может быть выражено через так называемую [[Плазменная частота|плазменную частоту]], зависящую от локальной концентрации электронов:
:<math>\varepsilon=1-f_0^2/f^2</math>, где <math>f_0</math> — плазменная частота, а <math>f</math> — частота волны<ref name=вопросы_зондирования />. 
При зондировании ионосферы отражение от неё [[Радиоволны|радиоволн]] наблюдается при совпадении их частоты с [[Плазменная частота|плазменной частотой]] структурных особенностей  ионосферы, т. е. при выполнения условия <math>\varepsilon=0</math>. Ионозонды обеспечивают получение информации с высоким отношением «[[SNR|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<ref name=Данилкин1 />.

== 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){{sfn|ВНИИГМИ-МЦД|2015|loc= Основные методы ионосферных наблюдений}}.

=== 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 [[ионограмма|ионограмме]], до тех пор, пока частота не превысит критическую, при которой отражения слоями ионосферы не наблюдается{{sfn|ВНИИГМИ-МЦД|2015|loc=Метод вертикального радиозондирования ионосферы}}.

=== 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{{sfn|ВНИИГМИ-МЦД|2015|loc=Метод наклонного радиозондирования ионосферы}}. 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 <math>\varepsilon=0</math> не выполняется, оценивается зависимость группового запаздывания сигналов от частоты, связанная с  концентрацией электронов<ref name=Данилкин1 />.

=== Внешнее радиозондирование ===
{{актуальность|на=декабрь 2021|в этом разделе|дата=2021-12-23}}
Внешним зондированием называется метод радиозондирования ионосферы, при котором передатчик и приёмник ионозонда устанавливаются на [[ИСЗ|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 [[Ионосфера#Область F|слоя F<sub>2</sub>]], может использоваться термин «внутреннее радиозондирование». При внешнем зондировании могут быть получены недоступные для наземного зондирования сведения о критической частоте и высоте максимума слоя F<sub>2</sub> и распределении электронной концентрации от высоты орбиты ИСЗ до слоя F<sub>2</sub>. В то же время при внешнем зондировании недоступна информация о внутренних слоях ионосферы F<sub>1</sub>, [[Ионосфера#Область D|D]] и [[Ионосфера#Область E|E]], исследуемых методами наземного зондирования{{sfn|ВНИИГМИ-МЦД|2015|loc=Внешнее радиозондирование ионосферы}}. 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 {{iw|Alouette 2||en|Alouette 2}} и {{iw|ISIS (космический аппарат)|ISIS|en|ISIS (satellite)}}, американском {{iw|Эксплорер-20||en|Explorer 20}}, советских [[Космос-381]], [[Интеркосмос-19]], [[Космос-1809]], японском {{iw|Ohzora|Ohzora (EXOS-C)|fr|Ohzora}}{{sfn|Труды ИПГ|2008|страницы=134—140|loc=Ионосферные наблюдения}}<ref name=ИКИ>{{cite web|url=https://iki.cosmos.ru/missions/ionozond|title=ИОНОЗОНД / IONOZOND|lang=ru|website=[[ИКИ РАН]]|accessdate=2022-01-28|archive-date=2022-01-28|archive-url=https://web.archive.org/web/20220128140614/https://iki.cosmos.ru/missions/ionozond|deadlink=no}}</ref>. 

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 [[Мир (орбитальная станция)|орбитальной станции «Мир»]], но её низкая орбита не позволяла исследовать верхний слой ионосферы<ref>{{статья|автор=A. V. Podlesnyi, A. A. Naumenko, M. V. Cedrik|язык=en|заглавие=Estimating antenna coupling factor for problem of topside ionosphere sounding from space by chirp signals|издание=Solar-Terrestrial Physics|тип=журнал|год=2019|том=5|номер=4|страницы=101—107|doi=10.12737/stp-54201914||}}</ref>{{sfn|Труды ИПГ|2008|страницы=169—171|loc=Радиозондирование ионосферы с космической станции «МИР»}}. С начала 2000-х годов готовится запуск российского специализированного многоспутникового комплекса «[[Ионозонд (космический проект)|Ионозонд]]», в состав которого будут входить спутники «Ионосфера-М», оснащённые, наряду с другой научной аппаратурой, ионозондами<ref>{{cite web|url=http://press.cosmos.ru/vozobnovlyayutsya-raboty-po-proektu-ionozond-2025|title=Возобновляются работы по проекту «Ионозонд-2025»|website=Пресс-центр [[ИКИ РАН]]|accessdate=2021-12-21|lang=ru|archive-date=2021-07-09|archive-url=https://web.archive.org/web/20210709184354/http://press.cosmos.ru/vozobnovlyayutsya-raboty-po-proektu-ionozond-2025|deadlink=no}}</ref><ref>{{cite web|url=http://www.vniiem.ru/ru/index.php?option=com_content&view=article&id=646:-lr&catid=88:--lr&Itemid=62|title=Космический комплекс «Ионозонд»|subtitle=Космический аппарат «Ионосфера»|website=[[ВНИИЭМ]]|accessdate=2021-12-21|lang=ru|archive-date=2021-12-12|archive-url=https://web.archive.org/web/20211212155353/http://www.vniiem.ru/ru/index.php?option=com_content&view=article&id=646:-lr&catid=88:--lr&Itemid=62|deadlink=no}}</ref>.

=== 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 [[телеметрия|телеметрии]]. Первые в мире эксперименты по прямому и обратному трансионосферному зондированию проводились на космическом аппарате «Интеркосмос-19» в 1979 году<ref name=транс>{{статья|заглавие=Предварительные результаты исследования трансионосферного зондирования с ИСЗ «Интеркосмос-19»|автор=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.|издание=Геомагнетизм и аэрономия|год=1981|тип=журнал|язык=ru|номер=6|том=21|страницы=1117—1120}}</ref> и были продолжены на «Космосе-1809» и станции «Мир»{{sfn|Труды ИПГ|2008|страницы=83—90|loc=Трансионосферное зондирование}}<ref>{{cite web|url=https://izmiran.ru/ionosphere/esound/pdf/Ivanov.pdf|title=Исследования ионосферы методом трансионосферного зондирования|publisher=[[ИЗМИРАН]]|accessdate=2021-12-23|lang=ru|archive-date=2018-07-13|archive-url=https://web.archive.org/web/20180713081306/http://www.izmiran.ru/ionosphere/esound/pdf/Ivanov.pdf|deadlink=no}}</ref>. Также для трансионосферного зондирования используются сигналы [[Спутниковая система навигации|навигационных спутников]], по данным о распространении которых можно оценить концентрацию электронов вдоль их пути через ионосферу<ref>{{статья|автор=А. О. Куприянов, В. В. Тихонов, Д. А. Морозов, А. Ю. Перминов|заглавие=Оперативный мониторинг параметров ионосферы в локальной области по результатам мультичастотных ГНСС-измерений|издание=Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъёмка|год=2018|том=62|номер=6|язык=ru}}</ref>.

== Примечания ==
'''Комментарии'''
{{примечания|group=K}}

'''Источники'''
{{примечания}}

== Литература ==
* {{книга|автор=Дымович Н. Д.|заглавие=Ионосфера и её исследование|год=1964|издательство=Энергия|серия=Массовая радиобиблиотека|язык=ru|ref=Дымович Н. Д.}}
* {{книга |автор = |язык = ru |заглавие = Радиозондирование ионосферы спутниковыми и наземными ионозондами |ответственный = Под ред. С. И. Авдюшина |место = М. |год = 2008 |серия = Труды института прикладной геофизики им. академика Е. К. Фёдорова |издательство = [[Институт прикладной геофизики имени Е. К. Фёдорова|ИПГ им. академика Е. К. Фёдорова]]|ссылка = http://ipg.geospace.ru/publications/book-2008.pdf|ref=Труды ИПГ}}
* {{книга|заглавие=Руководство по ионосферным, магнитным и гелиогеофизическим наблюдениям|издательство=ФГБУ «[[ВНИИГМИ-МЦД]]»|место=Обнинск|год=2015|ref=ВНИИГМИ-МЦД|язык=ru}}

{{ВС}}

[[Категория:Радиофизика]]
[[Категория:Геофизика]]
[[Категория:Ионосфера]]