Ионосфера жәйлі мәліметтер. Ионосфераны зерттеу тәсілдері. Тік және көлбеу зондтау.

Атмосфера-жердің ауа қабығы. Атмосфераның төменгі шекарасы жер беті болып табылады. Оның төменгі қабаты азот, оттегімен сирек кездесетін көміртегінен, аргоннан, сутегіден, гелийден тағы басқа  газдардан тұрады. Бұған су буы да араласады. Атмосфера түсінің көк болып келуі газ молекулаларының жарық сәуле шашуына байланысты. Жоғарылаған сайын атмосфера бірте-бірте сирей береді, қысымы төмендеп, оның құрылысы да өзгереді. 12 км биіктікке дейінгі атмосфераның төменгі қабатын тропосфера деп атайды. Тропосферада бұлт, жауын-шашын, жел және тағы басқа құбылыстар орын алып отырады. Тропосферадан жоғары 75 км биіктікке дейінгі қабат стратосфера деп аталады. Бұдан жоғары ионосфера қабаты орналасады.

Ионосферадағы иондалу Күннен келетін ультракүлгін радиация әсерінен жүреді. Ионосферада ғарыштық бөлшектердің ауа бөлшектеріне соқтығысуынан айрықша жарқырау пайда болады. Жоғары ендіктерде байқалатын бұл электрлік құбылыстар полярлық шұғыла деп аталады. Экзосферада өте жоғары жылдамдықпен қозғалатын жеңіл газдардың бөлшектері ғарыш кеңістігіне шашырап кетеді. Соңғы кезге дейін экзосфера, сонымен бірге жалпы Жер атмосферасы 2000—3000 км биіктіктен соң таусылады деген үғым бар болатын. Қазіргі заманғы ғарыштық зерттеулер бойынша экзосферадан шашыраған сутектің Жердің айналасында шамамен 20 000 км биіктікке дейін созылатын жер тәжі деп аталатын түзілісті құрайтыны анықталып отыр. Қазіргі кезде ғарыштық техниканың көмегімен атмосфера қабаттары қарқынды түрде зерттеліп жатқанымен, оның жоғары қабаттарының адамзатқа түсініксіз құпиялары әлі де болса жетерлік.

Атмосферамен ионосфераны глобальді навигациялық жерсеріктік жүйе сигналымен зерттеу. Радиотұтылу зондтауының әдістері GPS жерсеріктік жүйесі арқылы сәуленетін жоғарғы жиіліктегі сигналдарды қабылдауға және олардың қасиеттерін зерттеуге негізделген. Қабылдау станциялары төменгі орбиталды жерсерікте (500-800 км) немесе Жердің бетінде орналасуы мүмкін. Бірінші жағдайда ионосфераны, ал екінші жағдайда атмосфераның қабаттарын зерттеген ыңғайлы болып келеді. Төменгі орбиталды жерсерікті қабылдағыш ретінде пайдаланғанда тұтылу жерсеріктік-қабылдағыштың және жерсеріктік-таратқыштың орбита бойымен қозғалысының бұрыштық жылдамдықтарының айырымына негізделеді. GPS-COSMIC жерсеріктерінің жүйесі бір тұтылуды өлшеу ұзақтығы ионосферадағы өзгерістердің ұзақтығынан әлдеқайда аз болатындай бақылауды қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, Жердің әрбір бөлігін өлшеу, метеорологиялық өлшеулердегідей, 6 сағатта қайталанып отырады. Алынған мәліметтерді өңдеу барысында температураның биіктіктен тәуелділігін Т(h), ионосферадағы электрондардың концентрациясының биіктіктен тәуелділігін Ne(h) және атмосферадағы су буларының мөлшерін анықтауға болады. Жерсеріктік мәліметтердің нәтижесі 3 деңгейдің мәліметтері ретінде сақтайды. Бірінші деңгейдегі мәліметтер өлшеудің шарттары туралы толық ақпаратты қамтиды. Екінші деңгейдің мәліметтері, Ғаламтор арқылы алуға болатын ақпараттар, мынадай мазмұнда болады: өлшеудің күні мен басталу уақыты, өлшеніп жатқан бір күн ішіндегі өлшеу көрсетілімінің реттік нөмірі, жерсеріктің нөмірі, пайдаланып жатқан қабылдағыш каналы, саналымдардың арасындағы уақыттық интервалы, L1 мен L2 диапазонындағы сигнал деңгейлерінің шуға қатынасы, навигациялық және төменгі орбиталды серіктердің жылдамдығының векторлык компоненттері туралы және олардың координаталары туралы, жалпы L1 мен L2 сигналдары жайлы мәліметтерді алуға болады. Үшінші деңгейдің мәліметтері алдыңғы деңгейлердегі мәліметтерді өңдеу болып табылады. Бұл жерден белгілі бір зондтау аймағы жайлы келесі мәліметтерді алуға болады: сыну коэффициенті, тығыздық, қысым, температура, радиотолқындардың рефракция бұрышы, геопотенциал мәні, ылғалды есепке алатын температура, су буының қысымы, абсолютті және салыстырмалы тығыздық.

Бұл деңгейлердің жиынтығы атмосфера немесе ионосфераның жаһандық (глобальды) сүлбесін (моделін) нақ осы уақытта алуға мүмкіндік береді. Бұл сүлбе метеорологиялық және климаттық зерттеулерде, күн сәулесінің атмосфера мен ионосфераға әсерін, ионосфера күйінің сейсмикалық активті байланысын талдауға мүмкіндік береді. Ионосфералық ауытқуды зерттеу үшін қолданатын әдістер едәуір көп.

Келесі ұсынылатын: Ионосфера жайлы мәліметтер беріп өткеннен кейін, енді оны зерртеу тәсілдері және түрлері.

Тік зондтау. Ионосфера құрылымын және динамикасын зерттеудің негізгі әдістерінің ең ескі және бірегейі болып, Жер бетінде орналасқан, ионозонд - импульсті радиолокатор көмегімен тік зондтау тік зондтау (ТЗ) әдісі табылады [1, 3, 2]. Әдістің негізінде резонанстық бейне жатыр: ионосфераға вертикалды түсетін, жиілігі f радиотолқын, f=f_N= (f_N- плазмалық жиілік, е, m_e- электрон заряды және массасы, N_e – электрондар концентрациясы) болатын деңгейден сәулеленеді. Тік түсу кезіндегі, ионосфера қабатынан сәулеленетін толқындардың максималды жиілігі – критикалық жиілік , (N_emax – қабат максимумындағы электрондар концентрация) атауына ие. Ең үлкен критикалық жиілік f₀F2 ионосфераның ең жоғарғы қабатына F2 тиесілі. f₀F2 5-12 МГц аралығында өзгереді. Жиіліктері f>f₀F2 радиотолқындар ионосферадан сәулеленбей өтеді.

Стандартты ионозонд дегеніміз, бірқалыпты өзгеретін жұмысшы жиілігі бар импульстік таратқыштан, синхронды өзгеретін күйге келтіруі бар қабылдағыштан және сигналдың кешігу уақыты мен жұмысшы жиілігін тіркейтін құрылғыдан тұратын, елеулі қарапайым құрылғы болып табылады. Өлшеу процесі кезінде салмақ түсіретін жиілік, көптеген ионозондтарда 1 ден 20 МГц аралығында өзгереді. Ионозонд шығысында ионограмма жазылады - сәулеленудің қазіргі биіктігінің (радиотолқындардың сәулелену биіктігіне дейінгі және одан кері таралу уақытына пропорционал) жиіліктен тәуелділігі. Өлшеулер режиміне сәйкес, ионограммалар 1-15 мин жазылуы мүмкін. Өткен ғасырдың 50-шы жылдарында өндірісте қолдануға жасалып шығарылған автоматты аналогты ионозондтар негізінде, келісілген халықаралық бағдарламалар бойынша жер шарының шамамен алғанда 150 нүктесінде тұрақты өлшеулер жүргізген, тік зондтаудың ионосфералық станцияларының әлемдік желісі ұйымдастырылды. Аналогты ионозондтарда, барлық сәулеленген сигналдарда болатын қосымша ақпараттар (амплитуда, доплерлік ығысу, келіп түсу бұрышы, поляризация) жоғалып кететін болғандықтан, ТЗ әдісін одан әрі жетілдіру, параметрлерді басқару, алынған мәліметтерді талдау және сақтау, аппаратура құрамына кіретін компьютермен жүзеге асырылатын сандық ионозондтарды дамыту жолымен жүргізілді. Кеңес Социолистік Республика Одағында (КСРО) «Базис» ионозондтарының тұқымдастары, «Сойка», «Авгур» ионозондтары Америка Құрама Штатында (АҚШ) 128, 256, 610М1 және т.б. ионозондтары құрастырылды. Соңғы онжылдықта Digital Integrating Goniometric Ionoshperic Sounder (DIGI) зондтар - радиосигналдың кешігуін фазалық - кодтық басқаруы бар, ионограммаларды сандық түрде көрсету мен сандық интегралдау бар фазалық - когерентті детектрлеу құрылғылары бар жүйелер кең қолданысқа ие болды. Қазіргі уақытта ионосфералық станциялардың әлемдік желісін модернизациялау аяқталуда: 2004 жылы жұмыс жасап тұрған 130 ионозондтардың 100 - і әртүрлі конструкциялы сандық ионозондтар болып табылды. Жер бетіндегі жұмыс істейтін ионосфералық станциялар 1-ші суретте көрсетілген [1].

Көлбеу зондтау. ТЗ әдісінің түрі өзгерген әдісі болып, көлбеу зондтау (КЗ), қайтымды-көлбеу зондтау (ҚКЗ) және сыртқы зондтау (СЗ) табылады [3, 4, 2]. Көлбеу зондтау әдісі кезінде ионозондтың беретін және қабылдайтын бөліктері кеңістіктe тіркеп жазылады. Таралудың біржарыстық трассаларында сәулеленген радиотолқын ионосфера күйі туралы ақпаратты трассаның орта аймағына тасиды. Мұндағы шарт = sec ( – ионосфера қабатының тік және сәуленің бағытының арасындағы бұрышы).

▼- аналогты ионозондтар; ▲ – сандық ионозондтар; ■ – НР радарлары; ● – GPS аумағы.

Ионозондтар, НР (когерентті емес шашырау) радарлары, GPS қабылдағыштар.

Сурет 1. Ионосфералық детектрлеудің глобалды желісі

Ионосфераға көлбеу құлау кезіндегі шағылысуы бойынша радиотолқынның максималды жиілігі, максималды қолданылатын (МАЖ = = f0 • sec ) жиілік деп аталады. Сөйтіп , КЗ жағдайындағы жиілік диапазоны ТЗ қарағанда бірнеше есеге көп және ол трассаның ұзындығына тәуелді. КЗ ионограммасын алуға арналған аспап ТЗ аспабына қарағанда аздаған айырмашылығы бар. Бүгінгі күні жаратылған сандық ионозондтар, ережеге сәйкес бір мезгілде ионозондтар мен тік және көлбеу зондпен тексеру болып табылады.

Қайтымды-көлбеу зондтау. Жиілігі жоғары радиотолқындар ионосфера арқылы шағылыспай өтеді. Бірақ та біркелкі Nе қалыптасуының бар болуы осындай радиотолқындар энергиясының шашырауына әкеліп соғады. Сезімтал қабылдағыш қондырғыларды жеткілікті түрде қолдану арқылы шашыраған энергияны белгілеуге болады. ҚКЗ сызбасының негізі осындай, таратқыш пен қабылдағышты қосқан кезде дабылды тіркеу жүреді, ионосфера мен жер қабатының жиілігінде ионосфераға көлбеу құлаған кездегі артқа шашыраған f_МАЖ арттырылған дабылды тіркеу жүреді. ҚКЗ бойынша мәліметтер барынша ионизациялану биіктігінде электрондар тығыздығының жазықтық бойымен таралуы туралы ақпарат алуға мүмкіндік береді. ҚКЗ тәсілі сонымен қатар біртектілік құрылымын анықтауға арналған күшті құрал болып саналады: өлшемді бағалау, қозғалыс жылдамдығын және т.б. ҚКЗ жүзеге асыру барысында, әдістің кең түрде таралуына кедергі келтіретін біршама үлкен техникалық қиындықтарға кездесуге тура келеді.

Сыртқы зондтау. Жер қабатындағы ионосфералық станция, басты ионизациядан барынша төмен орналасқан, яғни 300 - 350 км, тек қана сол ионосфераның бөлігі туралы ғана ақпарат береді. Сондықтан ғарыштық дәуір басталғаннан кейін бес жылдан соң, сыртқы ионосфераны зерттеуге арналған Жердің жасанды жерсерігі (ЖЖЖ) бортында орналасқан ионозондтарды қолдана бастады (ҚКЗ әдісі). Ең құнды деректер Канадалық Спутниктер бортында орналасқан ионосфералық станциялар көмегімен алынды. «AIouеtte-I» (Орбитада 1962 жылдан 1971 жылға дейін жұмыс істеді), «AIouеtte-ІI» (1965 жылы ұшырылды), ISIS-1 (1969ж.), ISIS-2 (1971ж.), Америкалық Спутник «Explorer-20» (1964 ж.), кеңестік «Космос-381» (1970 ж.) және Халықаралық «Интеркосмос-19» (1979-1982 жж.) [1, 3, 4]. ҚКЗ әдісінің құндылығына жердегі ионозондтарға қол жетпес, құбылыстарды бақылау мүмкіндігін, үлкен кеңістікті қысқа ғана сәттілік уақыт аралығында қамтылуын, құрал сипаттамасының тұрақтылығын жатқызуға болады, сондықтан ионограммалардың айырмашылығы тек қана ионосфералық түрленумен ғана емес, ионозондтар жұмысындағы айырмашылықтарсыз болуы мүмкін.