Спецкурс по ионосфере

Каждый четверг (а ранее - понедельник) у меня достаточно тяжёлый день, потому что занятия в университете длятся с 11-50 до 15-20, и сразу же к 15-45 нужно бежать на остановку и приезжать на другой берег Ангары в Институт солнечно-земной физики на ионосферный практикум, где сидеть часов до шести.

Эти занятия есть у всей подгруппы космофизиков, к которым я отношусь, и на них нам обзорно рассказывают про средства изучения земной ионосферы, в том числе дают поработать с данными. Для каждого прибора приходит рассказывать свой человек (не все, правда, хорошо объясняют), проводит теоретическую и практическую части.

Цель отслеживания ионосферы - это, во-первых, определение последствий и этапов прохождения магнитных бурь, которые влияют на земную электронику и не только. Во-вторых, ионосфера важна для дальней радиосвязи, поэтому имеет смысл постоянно её мониторить. А ещё, что достаточно удивительно, конфигурация ионосферы меняется за некоторое время до и после начала землетрясений.

А теперь расскажу о том, что мы уже прошли

GNSS

Средство пассивного наблюдения за ионосферой, относительно дешёвое. Представляют собой высокочувствительные GPS-приёмники, которые отслеживают прохождение спутников над ионосферой и, зная реальное расстояние от себя до спутника, измеряют временные задержки передачи GPS-сигнала.

Позволяют определять полную электронную концентрацию и разные виды ионосферных возмущений.

В Иркутске стоит несколько GNSS-приёмников, один прямо на крыше ИСЗФ.

Расположение GNSS-приёмников в разных полушариях

GNSS around the world

Колебания полной электронной концентрации в течение года

Разные кривые отвечают за разные периоды усреднения, насколько помню. По иксу - часы, начиная от января. По игреку - какие-то попугаи.

TEC variations

Ионозонды

Антенны (передающая + принимающая), стоящие на земле, отсылающие сигнал вверх в ионосферу (сканируя диапазоны в десятки мегагерц) и принимающие свои сигналы обратно.

Дают возможность определять полную электронную концентрацию на разных высотах благодаря тому, что разные слои ионосферы отражают сигнал на разных частотах. Также даёт определить расположение слоёв ионосферы относительно друг друга и узнать их зависимость от высоты.

Главный минус вектикального зондирования в том, что можно определить только то, что происходит в нижней части ионосферы. Плюс ещё плохая устойчивость к помехам, поэтому ионограммы приходится часто обрабатывать вручную.

Пример ионограммы с отмеченными вручную слоями ионосферы и высчитанным профилем электронной концентрации

Ionogram

Красная - это обыкновенная, зелёный - необыкновенная волны. Появление необыкновенной волны связано с тем, что в ионосфере присутствует двойное лучепреломление. В этом плане ионосфера ведёт себя немного как кристалл.

А дублирование сигнала сверху - последствие его многократного отражения.

Радары некогерентного рассеяния

around the world

Недалеко от Иркутска есть свой радар некогерентного рассеяния, который был переоборудован с военного радара для научных целей. Почему же военное оборудование отдали учёным? Нам рассказывали, что из-за находящихся рядом Саянских гор на радар поступает много помех, поэтому соотношение сигнал/шум очень маленькое. По мере развития технологий этот факт мог сделать установку непригодной для военных целей, но учёные всё ещё могут доставать полезную инфу, проделав больше измерений и подкопив статистику (это мои личные догадки).

Данный прибор позволяет сканировать всю ионосферу целиком, а также определять параметры вроде температуры плазмы, которые фиг узнаешь от других приборов. Ещё имеет достаточно большое покрытие по площади. Однако, радар - это штука, потребляющая очень-очень много энергии, и крайне дорогая. Работает на более высоких частотах, нежели ионозонд (уже сотни мегагерц).

Профиль мощности сигнала для радара представляет собой колеблющуюся кривую (напоминающую интерференционную картину) из-за эффекта Фарадея, поскольку установка принимает только сигнал в одной конкретной поляризации.

RNR power

Мы на практике не делали ничего особенного, только методом сеток пробовали подгонять теоретическую кривую под экспериментальную.

Оптические наблюдения атмосферы

Оказывается, наблюдение полярных сияний и сияний в средних широтах (которые имеют красноватый оттенок и представляют собой свечение кислорода) тоже могут рассказать интересные вещи о том, что происходит там, наверху, на нескольких сотнях километров и выше.

На астрофизической обсерватории Торы https://atmos.iszf.irk.ru/ru/observatory имеются особые камеры, которые позволяют фиксировать слабое свечение неба в периоды геомагнитных бурь и не только.

RGB-распределение яркостей по небу

Tory brightness distribution

Что потом

В самом конце практикума нас разделят по командам, и мы, используя данные со всех приборов выше, должны будем проанализировать определённую магнитную бурю в какой-то день, сделать расчёты и выводы по теме.