Глава шестая. Исследование ионосферы геофизическими ракетами и искусственными спутниками земли

Исследования ионосферы с помощью ионосферных станций вертикального и возратно-наклонного зондирования, устройств по изучению ионосферного поглощения и «ветров» в ионосфере и т. п. относятся к методам косвенных измерений и не могут заменить прямые методы измерений с помощью приборов, установленных на летательных аппаратах.

До появления геофизических ракет и искусственных спутников Земли плотность атмосферы измеряли с помощью небольших воздушных шаров (шаров-зондов), которые могли подниматься до высоты примерно 40 км. На шарах-зондах устанавливали манометр-анероид. По мере подъема вверх и уменьшения давления верхняя крышка анероида изгибалась и перемещала прикрепленный к ней рычаг. При помощи небольшого передатчика показания анероида передавались на наземную станцию. Однако анероид может работать только на небольших высотах.

В последние годы исследователи получили новое оружие для изучения ионосферы — геофизические ракеты, способные подниматься вертикально вверх на несколько сотен километров. Для измерения давлений воздуха на таких больших высотах необходимо было применить тепловой манометр, который позволял измерять атмосферное давление до высот примерно 100 км. Выше 100 км давление измерялось с помощью ионизационного манометра, состоящего из нити накала, такой же, как и в обычной радиолампе, и анода. В ионизационном манометре ток, протекающий между нитью накала и анодом, изменяется в зависимости от плотности воздуха. Эти слабые изменения тока усиливаются и затем передаются по радиотелеметрической системе на Землю. Однако на показания такого манометра сильное влияние оказывал газ, выделявшийся в результате работы двигателей ракеты. Так как весь полет ракеты продолжается всего несколько минут, то этот газ не успевал рассеяться. Кроме того, скорость движения ракеты, как правило, превышает скорость звука. Все это очень усложняло обработку результатов измерений и уменьшало надежность результатов измерений. Более надежные результаты получаются при отделении контейнера с научной аппаратурой от самой ракеты. Этот метод был применен в СССР при запусках мощных геофизических ракет в 1958 г. до высоты 473 км.

В 1957 г. в СССР был запущен первый, а позднее второй и третий искусственные спутники Земли (ИСЗ). Изучение движения спутников давало уже возможность определить плотность атмосферы до высоты 700 км. Несмотря на большую разреженность атмосферы на таких высотах, она все же значительно тормозит спутник, в результате чего его орбита изменяется. В начале запуска эллиптическая орбита спутника по мере его торможения превращается в круговую. Попадая в плотные слои атмосферы, спутник сгорает.

Наблюдения за изменением орбит спутников позволили получить данные о плотности атмосферы на больших высотах. Вычисленная плотность неожиданно оказалась во много раз больше, чем считалось ранее. Выяснилось также, что плотность атмосферы не остается постоянной, а зависит от времени суток и от процессов, происходящих на Солнце. Данный способ позволял определить лишь среднюю плотность атмосферы за несколько оборотов спутника.

Плотность атмосферы измеряли также ионизационными манометрами, установленными на спутниках. Надежные результаты были получены при полетах третьего ИСЗ и примерно совпали с данными, полученными путем наблюдения за торможением спутника.

Для определения давления атмосферы в конкретной точке над поверхностью Земли был использован метод диффузии паров натрия. С этой целью на высоте 430 км с высотной геофизической ракеты было выпущено облако паров натрия. В результате столкновения с атомами воздуха облако паров натрия постепенно расширялось. Наблюдая за скоростью расширения облака, удалось определить плотность атмосферы на этой высоте.

Результаты измерений плотности атмосферы до высоты 1 000 км, полученные с помощью геофизических ракет и ИСЗ, приведены на рис. 20. Плотность атмосферы приведена в атомах на кубический сантиметр. Кривая, приведенная на рис. 20, получена в результате измерений в средних широтах. Очевидно, что для полярных и экваториальных широт могут быть отклонения от приведенной кривой.

Непосредственные измерения концентрации электронов и ионов в ионосфере проводились при вертикальных запусках геофизических ракет Академии наук СССР, на третьем ИСЗ, а также на первой, второй и третьей космических ракетах. Измерения состояли из определения концентрации заряженных частиц ионосферы на высотах, которые были достаточно точно известны.

В результате указанных экспериментов удалось построить примерную структуру распределения по высоте концентрации заряженных частиц ионосферы и определить ее границу.

Рис. 20. Плотность верхних слоев атмосферы Земли.

До высот примерно 450—470 км измерение концентрации электронов с помощью вертикально запускаемых геофизических ракет было осуществлено в СССР 21 февраля, 27 августа и 31 октября 1958 г. Измерения проводились путем наблюдения из нескольких пунктов на поверхности Земли за распространением радиоволн от трех передатчиков, установленных на каждой ракете. Передатчики работали на частотах 24, 48 и 144 Мгц. Концентрация свободных электронов определялась по результатам наблюдений за вращением плоскости поляризации радиоволн по мере подъема ракеты. Одновременно с запуском ракеты проводилось наблюдение за состоянием ионосферы с помощью ионосферной станции, расположенной около места старта ракеты.

С помощью установленных на третьем ИСЗ ионных ловушек была измерена концентрация положительных ионов в ионосфере до высоты примерно 1 880 км.

Чтобы на измерения не влиял корпус контейнера с научной аппаратурой, ловушки были укреплены на длинных штангах над поверхностью спутника. Расположение ловушек на третьем ИСЗ схематически показано на рис. 21. Было установлено, что в области ионосферы отрицательные ионы почти полностью отсутствуют.

Дальнейшие исследования электронной концентрации ионосферы проводились с помощью трех советских космических ракет, запущенных в 1959 г. в направлении Луны. Более полные результаты были получены во время полета второй космической ракеты, которая достигла Луны 14 сентября 1959 г.

Измерения проводились с помощью четырех трехэлектродных ловушек, укрепленных на длинных штангах над поверхностью сферического контейнера. Каждая ловушка состояла из полусферической внешней никелевой сетки радиусом 30 мм, внутри которой находился плоский никелевый коллектор. Между коллектором и внешней сеткой была расположена плоская внутренняя сетка из вольфрама. Схема трехэлектродной ловушки показана на рис. 22. Коллектор имел потенциал —50 в относительно корпуса контейнера.

Внутренняя сетка — потенциал —200 в. Внешние сетки каждой из четырех ловушек имели потенциалы —10 в, —5 в, 0 в и +15 в.

Рис. 21. Схема расположения ловушек на третьем искусственном спутнике Земли.

Заряженные частицы воздуха, попадая в ловушку, создавали в цепи коллектора ток, который был тем больше, чем больше число заряженных частиц попадало в ловушку.

На рис. 23 приведена кривая зависимости электронной концентрации ионосферы от высоты. Эта кривая построена по результатам измерений, проведенных за время с февраля 1958 г. по сентябрь 1959 г. При построении нижней части графика были использованы данные вертикального запуска геофизической ракеты 21 февраля 1958 г. Средняя часть кривой (высота 500—1 000 км) построена по данным измерений с помощью третьего ИСЗ во время его 56-го оборота вокруг Земли. Часть графика (высота 1 400—20 000 км) построена по данным измерений, выполненных с помощью второй космической ракеты.

Полученные данные трудно переоценить. Во-первых, впервые была экспериментально исследована ионизированная оболочка Земли во всей своей толще. До запусков ИСЗ и космических ракет ионосферу можно было исследовать лишь до высот 300—500 км. Во-вторых, впервые определена граница верхней границы ионосферы, которая находится на высоте 15 000—20 000 км. В третьих, ракетные исследования нижней части ионосферы позволили установить новую область, названную областью С. Эта область расположена летом на высоте 57— 67 км, а зимой — на высоте 57—80 км. Возникает она с восходом Солнца и не зависит от времени дня и сезона. Летом области С и D частично перекрывают друг друга. Зимой, когда область D поднимается вверх, область С существует самостоятельно.

Рис. 22. Схема трехэлектродной ловушки.

В результате экспериментальных исследований околоземного пространства с помощью ИСЗ и космических ракет удалось обнаружить три радиационных пояса вокруг Земли. Эти пояса представляют собой скопление электронов и протонов, движущихся с огромной скоростью. Их образование объясняется существованием магнитного поля Земли. Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, двигаясь в космическом пространстве и пролетая вблизи Земли, захватываются земным магнитным полем и удерживаются им. Так как скорость частиц разная, то их потоки располагаются на разных расстояниях от Земли, образуя пояса заряженных частиц, или радиационные пояса.

Существование поясов удалось обнаружить в результате измерения космического излучения счетчиками Гейгера и трехэлектродными ловушками, установленными на спутниках и ракетах.

Рис. 23. Зависимость электронной концентрации ионосферы от высоты.

На рис. 24 показано расположение радиационных поясов вокруг Земли. Самый близкий пояс расположен примерно на высоте 1 600 км и имеет скорость заряженных частиц от 2·104 до 6·107 эв.

Рис. 24. Схема расположения радиационных поясов вокруг Земли.

Следующий радиационный пояс находится приблизительно на высоте 3 600 км. Энергия заряженных частиц в этом поясе лежит в пределах от 2·104 до 4·107 эв. Самый внешний пояс радиации расположен на высоте 50 000—75 000 км. Энергия заряженных частиц в нем лежит в пределах от 2·102 до 2·101 эв.

Радиационные пояса можно представлять как кольцевые токи, существующие в околоземном пространстве. Лежат они в плоскости геомагнитного экватора. Например, величина тока в самом внешнем радиационном поясе составляет примерно 5·106 а.

Обнаружение поясов радиации вблизи Земли представляет собой важное открытие, так как они весьма опасны для жизни космонавтов. Кроме того, заряженные частицы оказывают влияние на геофизические процессы, в частности вызывают полярные сияния, свечения ночного неба и нагрев атмосферы. Считают, что кольцевые токи в атмосфере тесно связаны с магнитными бурями.