big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Радиоисследования полярных сияний

В последнее время быстро развивается новая отрасль применения радио — радиолокация.

Принцип радиолокации был открыт изобретателем радио А. С. Поповым в 1897 г. Произведя опыты по связи на Балтике, он обнаружил, что когда между судами, участвовавшими в опытах по организации связи, проходило третье судно, то радиосвязь нарушалась. Этот факт объясняется тем, что все металлы хорошо отражают электромагнитные волны. Поэтому когда между судами, на которых были радио аппараты, находилась большая металлическая масса (судно), электромагнитные волны отражались от нее и не попадали на приемную антенну. Таким образом, самолет или корабль может быть «виден» с помощью радиоволн, если посылать радиоволны узким пучком и улавливать отраженные от металлических предметов и тел радио сигналы.

Радиолокатор при определенной длине волны в состоянии уловить отраженную волну и от полярного сияния, поскольку в областях сияний сосредоточены электрические заряды, а, как нам уже известно, такие объекты могут отражать радиоволны. Хотя энергия этих отраженных волн значительно слабее первичных, они могут быть приняты с помощью специального высокочувствительного приемника.

Этот метод исследования полярных сияний имеет ряд преимуществ по сравнению с оптическими методами: радионаблюдения почти не зависят от погоды, они могут производиться даже сквозь облака и в дневное время, когда сияний не видно из-за солнечного света. Этим методом можно производить также непосредственные измерения вы соты, электронной плотности сияний, их перемещения.

Чтобы отражение радиоволн было достаточно интенсивным, не обходимо чтобы длина падающей волны была бы сравнима с размерами отражающего тела.

По этой причине радиолокация для обнаружения не очень больших отражающих объектов использует самые короткие радиоволны (метровые, дециметровые и сантиметровые). Для этих волн проще создать и специальные антенны, способные сосредоточить излучаемую энергию в узком пучке — радиолуче, и тем самым увеличить энергию отраженного сигнала. Вращая антенну радиолокатора, можно определить угол, под которым виден объект по отношению к горизонту и его направление (азимут).

В радиолокационных установках передатчик, питающий антенну, излучает радиоволны импульсами продолжительностью всего лишь в миллионные доли секунды. Излучив импульс, передатчик автоматически выключается, и начинает работать приемное устройство, которое принимает пришедший импульс, отраженный от объекта («радиоэхо»). Такие операции повторяются неоднократно. Измерив промежуток времени между посылкой импульса и моментом прихода его отражения, можно определить расстояние до объекта по формуле:

где с — скорость распространения радиоволн (300 000 км/сек), t— время в секундах, потребное радиоволне на прямой и обратный путь; эти малые доли секунды должны быть измерены с большой точностью.

Определение времени между посылкой импульса и приемом его отражения производится с помощью электронно-лучевой трубки. Электронный луч трубки управляется специальной схемой, позволяющей получать на экране трубки «выбросы» от излученного и отраженного импульсов, располагающиеся один за другим согласно времени их приема. На экране трубки нанесена шкала, дающая возможность определять по расстоянию между выбросами расстояние до объекта, отражающего радиосигналы. Принципиальная схема радиолокатора изображена на рис. 35.

В случае вращающихся антенн применяются трубки кругового обзора, позволяющие получать «радиоизображения» объектов, от которых отражаются радиоволны. На рис. 36 показаны фотографии «радиоизображений» сияний на экране радиолокатора кругового обзора.

Перейдем теперь к изложению результатов применения радиолокации к исследованиям полярных сияний.

Одно из первых специальных радиоисследований сияний было проведено в Тромсё в 1940 г. «Радиоэхо» малой амплитуды, совпадающие по времени с появлением полярных сияний, наблюдались на частотах 40 мггц. Затем радионаблюдения сияний были проведены в Оттаве в августе 1948 г. Было обнаружено, что скорости перемещения сияний составляли 470—940 м/сек.

Принципиальная схема радиолокатора

Радионаблюдения за полярными сияниями в Кируне (Швеция), проводившиеся с мая 1951 г. по март 1952 г., вскрыли тесную связь сияний с магнитными возмущениями.

Средняя высота сияний в Кируне, определенная радиолокатором, оказалась равной 120 км.

Наблюдения за полярными сияниями в Канаде проводились, начиная с 1948 г., на трех частотах: 3000, 106,5 и 56 мггц. Однако отраженные импульсы были получены только на двух последних частотах, соответствующих длинам волн 2,82 м и 5,35 м. Отношение амплитуд одновременных радиоэхо этих двух частот изменялось в широких пределах. Эхо от 56 мггц появлялось чаще, раньше и продолжалось дольше, чем эхо от 106 мггц. Эхо от сияний имело сложную тонкую структуру и быстро менялось. Наличие такой тонкой структуры эхо говорит о существовании в сиянии множества отражающих центров. Отражения лучше получались от низких сияний средней яркости, имеющих лучистую структуру. Это заставляет предположить, что радиоволны отражаются в том случае, если они падают перпендикулярно к поверхности сияний лучистой структуры. Отражения от диффузных сияний были очень слабыми.

Обработкой данных обнаружено, что отражения на частотах 106 мггц чаще следовали от областей, расположенных близко к зоне

Изображения эха полярных сияний на экране индикатора кругового обзора

сияний, а на частотах 56 мггц — от мест, расположенных южнее зоны. Отношение числа одновременных эхо, полученных на частотах 56 мггц и 106 мггц, обнаруживает резкий максимум на геомагнитной широте 67°. Этот факт показывает, что имеет место уменьшение к югу числа случаев полярных сияний, способных отражать радио волны, посылаемые радиолокатором. По-видимому, области с большой ионной плотностью, хорошо отражающие радиоволны, связанные с сияниями, образуются чаще вблизи зоны сияний.

Определения высот полярных сияний с помощью радиолокатора показывают (как видно на рис. 37), что они хорошо согласуются с данными, полученными фотографическими методами.

Суточный ход числа сияний, полученных по радиоотражениям (рис. 38), совпадает с данными визуальных и спектроскопических наблюдений. Интересно отметить, что по наблюдениям в марте и мае 1952 г. радиоэхо на 56 мггц дало увеличение числа случаев отражений около 7 часов утра по местному времени, когда было светло и визуально сияний уже нельзя было обнаружить.

Электронные плотности в полярных сияниях, по данным радио наблюдений, составляют от 105 до 108 электронов на 1 см3, что может соответствовать различным электронным плотностям разных сияний.

Сравнение результатов определения высот полярных сияний, полученных фотографическим и радиолокационным методом

Суточные вариации отражений от полярных сияний в Саскатуне за два различных периода

Однако большие расхождения в электронных плотностях могут быть •обусловлены и различными механизмами отражения.

К полученным оценкам электронных плотностей радиометодом следует пока отнестись с осторожностью.

Интересные радионаблюдения над полярными сияниями были проведены на относительно низких геомагнитных широтах в Университете Станфорд (φ = 43,8°) Для локации сияний использовались более низкие частоты — 6,43, 12,86 и 17,31 мггц. Отражения были получены от больших высот, нежели те, на которых обычно наблюдаются сияния, и с больших дальностей (1600—4700 км). Интенсивность отраженных сигналов была необычайно велика.

Радиолокационные исследования полярных сияний проводятся в настоящее время близ Мурманска и еще на нескольких арктических станциях.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.