Способ определения атомной массы металлических ионов в спорадическом слое Е (Es) Российский патент 2018 года по МПК H01J49/26 G01T1/29 

Изобретение относится к области геофизики, в частности к способам и устройствам определения состава и концентрации положительных ионов в ионосфере Земли и предназначено для дистанционного определения атомной массы положительных ионов металлов в спорадическом слое Е (Е_s), который образуется в нижней ионосфере Земли в интервале высот 90-150 км.

Изобретение может быть использовано для изучения динамических процессов, происходящих в нижней ионосфере Земли, для определения характеристик спорадических слоев ионизации, изучения их ионного состава с целью исследования взаимодействия и энергообмена между нижней и верхней ионосферой, анализа условий распространения KB и УКВ радиоволн в ионосфере, прогнозирования последствий активных экспериментов в нижней ионосфере Земли.

Существует ряд способов идентификации металлических ионов в ионосфере Земли. Концентрации ионов могут быть измерены с помощью лидаров и радаров некорентного рассеяния (Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.), но каждый из этих методов имеет существенные ограничения в использовании на высотах нижней ионосферы, где образуются спорадические слои ионизации.

Лидар представляет собой оптический локатор для дистанционного зондирования воздушных и водных сред, активно используемый в средней атмосфере. Он состоит из источника оптического излучения, фотоприемника, системы регистрации и обработки результатов зондирования. В качестве источника оптического излучения используют лазеры. В нижней атмосфере лидары применяют для измерения ряда параметров: влажности, температуры, прозрачности, концентрации газовых и аэрозольных компонентов, скорости ветра, верхней и нижней границ облачности. На ионосферных высотах с помощью лидаров измеряют концентрации ионов и молекул. Использование лидаров ограничено светлым временем суток и высотой, как правило, не превосходящей 90-100 км.

Метод некогерентного рассеяния, использующий соответствующие радары, представляет собой один из наиболее информативных наземных методов исследования ионосферы. В радарах некогерентного рассеяния применяются частоты, значительно превышающие собственные частоты ионосферы. Анализ спектра сигнала, рассеянного на электронах среды, позволяет определить ионную и электронную температуру, содержание ионов, скорость ионного дрейфа, частоту соударений в нижней ионосфере. Распространение метода некогерентного рассеяния ограничено вследствие чрезвычайной сложности используемых технических средств, стоимость экспериментов сопоставима с ракетными и спутниковыми экспериментами. В мире существует всего 9 установок этот типа. Значительным недостатком метода некогерентного рассеяния является невысокое разрешение по высоте, которое составляет, как правило, 50-70 км. Кроме того, этим способом определяется концентрация ионов, в основном состоящих из кислорода, азота, окиси азота, а также ионов гелия и водорода во внешней ионосфере (выше 600 км), там, где спорадические слои ионизации не образуются.

Несмотря на эффективность описанных выше методов, большинство известных способов определения ионного состава нижней и верхней атмосферы, включая спорадические слои ионизации, называемые спорадическими слоями Е или E_s, основаны на размещении измерительных инструментов на борту геофизической ракеты. Спорадический слой Е (E_s) представляет собой тонкий толщиной до 3 км слой с повышенными значениями концентрации электронов по отношению к фоновым значениям концентрации области Е. В этом слое среди ионов преобладают положительные ионы металлов (Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.). Для измерения массы иона или распределения разных ионов по массам, то есть ионного состава, используются масс-спектрометры, работа которых основана на зависимости гирорадиуса частицы от массы.

Известными измерительными инструментами, располагаемыми на космических аппаратах, являются следующие устройства.

Устройство для измерения скорости образования положительных ионов в ионосфере с использованием масс-спектрометра (US 3299266), в котором для измерения скорости образования положительных ионов используется радиочастотный ионный масс-спектрометр, адаптированный к анализу ионного состава, на входе которого установлены три коаксиально расположенных цилиндрических электрода, одинаково отстоящие друг от друга, выполненные, например, из проволочной сетки. При этом первый электрод имеет отрицательный потенциал, второй электрод заземлен, третий электрод находится под положительном потенциалом. На электроды подается переменное напряжение. Его частота определяет время, за которое ион определенной массы успевает пролететь расстояние между сетками. Ион, имеющий другую массу, в том же поле приобретает другую скорость и может быть отсеян дополнительной сеткой. Для проведении измерений трехэлектродный конец узла снабжен отверстием для поступления окружающего воздуха. Внутренний и внешний электроды соответственно предотвращают попадание в объем нежелательных отрицательных и положительных частиц путем подбора потенциалов, прикладываемых к электродам.

Известно устройство для измерения состава потока ионов и нейтральных частиц (US 8525110), включающее спектрометры, принимающие ионы и нейтральные частицы, где каждый из спектрометров включает катод, преобразующий незаряженную частицу в ионизированную частицу, которая далее отклоняется с помощью электрического поля, созданного двумя анализаторами, которые выполнены с возможностью отклонения ионов через выходные отверстия каждого из спектрометров. Траектории частиц расходятся в соответствии с их радиусами кривизны, пропорциональными массам частиц. Устройство обеспечивает четыре одновременных измерения параметров ионов и нейтральных частиц как функции высоты с переменной чувствительностью для разных видов нейтральных частиц. Переменная чувствительность позволяет расширить измерения по высоте от 100 до 700 км более. В устройство включены четыре инструмента: спектрометр температуры потока нейтральных частиц, спектрометр ионной температуры и ионного дрейфа, масс-спектрометр нейтральной частицы и ионный масс-спектрометр. Спектрометр температуры потока нейтральной частицы и спектрометр ионной температуры и дрейфа иона предназначен, чтобы отделить О и N₂ и O⁺ от Н⁺, в то время как масс-спектрометр нейтральной частицы и ионный масс-спектрометр предназначен, чтобы разделять массы ионов с разрешением 1/64 аем (атомных единиц массы), что позволяет идентифицировать металлические ионы в нижней термосфере.

Для проведения измерений масс-спектрометры необходимо устанавливать на космических аппаратах, например, в носовой части ракеты (Stein Weg A., Krankowsky D., P., Anweiler B. Metal ion layers in the auroral lower E-region measured by mass spectrometers // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. 1992. V. 54. No 6. P. 703-714). Хорошо известно, что запуск космических аппаратов возможен только с оборудованных полигонов и является крайне дорогостоящим и эпизодическим событием, что не позволяет проводить мониторинг ионосферы и, в том числе, ионного состава, который может меняться в результате солнечных и ионосферных возмущений.

Техническим результатом изобретения является применение дистанционного радиофизического метода определения атомной массы положительных ионов металлов, преобладающих в спорадическом слое Е (E_s) ионосферы, то есть определение типа ионов, образующих этот слой, при значительном снижении затрат на проведение измерений по сравнению с другими методами и высокой точностью определения высоты слоя ионов.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый способ определения атомной массы положительных ионов, то есть типа ионов, преобладающих в спорадическом слое Е ионосферы, включает формирование искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте, выше критической частоты для E-слоя и ниже критической частоты для F-слоя, излучение в ионосферу зондирующих радиоимпульсов по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поляризацией, прием сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, измерение амплитуды сигнала, рассеянного сформированными возмущающим радиоизлучением периодическими неоднородностями на исследуемой высоте h в интервале высот 60-150 км, определение высотной зависимости времени релаксации обратно рассеянного сигнала. Время релаксации неоднородностей τ(h) на каждой высоте h определяют по уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в e раз. Время релаксации неоднородностей τ(h), которое в отсутствие спорадических слоев ионизации - спорадических слоев Е (E_s) - обусловлено амбиполярной диффузией с характерным диффузионным временем релаксации τ_d(h), прямо пропорциональным массе ионов (Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Толмачева А.В., Бахметьева Н.В. Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей. - Нижний Новгород. ИПФ РАН. 1999. 155 с.)

На тех высотах, где образуется спорадический слой Е (E_s), время релаксации τ_Es возрастает по сравнению с диффузионным временем τ_d вследствие того, что слой E_s содержит положительные металлические ионы, при этом атомная масса некоторых ионов значительно превышает атомную массу обычных атмосферных ионов О₂⁺ и NO⁺, которые преобладают в составе ионосферы на указанных высотах в обычных условиях (Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.).

По величине отношения найденного времени релаксации обратно рассеянного сигнала в слое E_s - τ_Es, которое превышает диффузионное время релаксации τ_E фоновой E-области и τ_E=τ_d, определяют атомную массу положительных ионов металлов, преобладающих в спорадическом слое Е (E_s) ионосферы.

Способ может быть реализован с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг. 1.

Устройство, реализующее способ определения атомной массы ионов металлов, содержит задающий генератор 1 для формирования непрерывного синусоидального сигнала, передатчик 2 с антенной 3 для излучения в зенит возмущающего ионосферу радиоизлучения с созданием искусственных периодических неоднородностей, передатчик 4 с антенной 5 для излучения в зенит радиоимпульсов, зондирующих периодические неоднородности, приемник 6 с антенной 7 для приема обратно рассеянных периодическими неоднородностями сигналов, регистратор 8 для измерения амплитуды обратно рассеянного сигнала с ПК для обработки и хранения первичной информации и синхронизатор 9 с ПК для обеспечения временных режимов работы передатчиков 2 и 4 и для управления регистратором 8.

Способ определения атомной массы положительных ионов металлов осуществляется следующим образом.

Воздействуют на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте выше критической частоты E-слоя и ниже критической частоты F-слоя ионосферы, формируя тем самым в ионосфере периодические искусственные неоднородности ионосферной плазмы от основания ионосферы до высоты максимума F-слоя. Для этого формируют с помощью задающего генератора 1 непрерывный синусоидальный сигнал на возмущающей частоте ƒ в диапазоне частот ƒ₁-ƒ₂ (где ƒ₁ и ƒ₂ - критические частоты Е- и F-слоя ионосферы соответственно), поступающий на передатчик 2.

С помощью управляемого синхронизатором 9 передатчика 2 с антенной 3 излучают в зенит возмущающее радиоизлучение. Поскольку частота ƒ возмущающего радиоизлучения ниже критической F-слоя ионосферы ƒ₁, направленное в зенит радиоизлучение частотой ƒ отражается от ионосферы.

После окончания воздействия на ионосферу возмущающего радиоизлучения, т.е. после выключения передатчика 2, излучают в зенит на той же частоте ƒ и с поляризацией, соответствующей поляризации возмущающего радиоизлучения, последовательность зондирующих радиоимпульсов.

Для этого формируют с помощью синхронизатора 9 последовательность импульсов для управления передатчиком 4 и излучают в зенит на частоте ƒ с помощью передатчика 4 с антенной 5 радиоимпульсы, сформированные с помощью задающего генератора 1 и синхронизатора 9. В качестве передатчика 4 может быть использован передатчик 2, переводимый в импульсный режим.

Принимают с помощью приемника 6 с антенной 7 зондирующие радиоимпульсы, обратно рассеянные искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, сформированными возмущающим радиоизлучением, которые после выключения передатчика 2 существуют в ионосфере в зависимости от частоты возмущающего радиоизлучения в течение нескольких секунд, постепенно разрушаясь (релаксируя). Поскольку частота и поляризация зондирующего радиоимпульса совпадают с частотой и поляризацией возмущающего радиоизлучения, то каждый зондирующий радиоимпульс рассеивается во всем интервале высот от нижней границы ионосферы до высоты его отражения в F-слое. При равенстве частот и поляризаций возмущающего и зондирующего радиоизлучений рассеяние от периодических неоднородностей имеет резонансный характер, то есть сигналы рассеиваются всеми неоднородностями синфазно, что увеличивает амплитуду рассеянного сигнала.

При приеме с помощью регистратора 8 измеряют высотную зависимость A(h) амплитуды сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями. Для этого с помощью синхронизатора 9 формируют последовательность стробирующих импульсов для управления регистратором 8. С помощью регистратора 8 измеряют в моменты поступления стробирующего импульса амплитуду обратно рассеянного сигнала, соответствующего высоте h. Задержка стробирующего импульса относительно момента излучения зондирующего импульса определяет высоту h. В процессе зондирования интенсивность искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы уменьшается, так как после окончания действия возмущающего излучения они разрушаются (релаксируют), при этом уменьшается и амплитуда сигнала, обратно рассеянного периодическими неоднородностями.

По высотному профилю амплитуды обратно рассеянного сигнала на каждой высоте определяют время релаксации искусственных периодических неоднородностей по уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в e раз. Определяют атомную массу положительных ионов металлов по величине отношения измеренного времени релаксации сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями в слое E_s - τ_Es и фоновой E-области - τ_E=τ_d, так как в спорадическом слое Е (Е_s) время релаксации рассеянного сигнала возрастает по отношению к его значению в фоновой E-области.

Физическая основа предлагаемого способа состоит в следующем.

Способ определения атомной массы металлических ионов основан на формировании искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте выше критической частоты для E-слоя и ниже критической частоты F-слоя, в результате чего возмущающее радиоизлучение отражается от ионосферы. Вследствие интерференции падающей на ионосферу и отраженной от нее радиоволн во всем пространстве между поверхностью Земли и высотой отражения возмущающего радиоизлучения формируется стоячая радиоволна, возмущающая ионосферную плазму. В периодическом поле мощной стоячей радиоволны происходит неравномерный по высоте нагрев электронной компоненты ионосферной плазмы и ее вытеснение из более нагретых областей в менее нагретые, за счет чего формируются периодические искусственные неоднородности ионосферной плазмы с пониженной концентрацией электронов в пучностях поля стоячей волны и с периодом по высоте L=0,5λ-0,5c/ƒn, где с - скорость света в вакууме, ƒ - частота возмущающего радиоизлучения, n - показатель преломления возмущающей радиоволны в ионосфере, зависящий от концентрации электронов. Искусственные периодические неоднородности образуются во всем интервале высот от нижней границы ионосферы до высоты максимума F-слоя. По окончании воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением сформированные искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы начинают разрушаться (релаксировать). Зондирующий радиоимпульс излучают по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поляризацией, что и возмущающее радиоизлучение, и в это время происходит его рассеяние на релаксирующей периодической структуре на всем интервале высот образования искусственных периодических неоднородностей. Принимая обратно рассеянный сигнал, измеряют амплитуду сигнала, рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, сформированными возмущающим радиоизлучением, на исследуемой высоте h. С течением времени амплитуда рассеянного сигнала уменьшается. На высоте спорадического слоя Е амплитуда сигнала, напротив, возрастает. Время релаксации (разрушения) искусственных периодических неоднородностей, равное времени релаксации обратно рассеянного сигнала τ(h), определяют по уменьшению амплитуды рассеянного сигнала в e раз. На высотах мезосферы и нижней термосферы в диапазоне высот 80-130 км релаксация искусственных периодических неоднородностей в отсутствие турбулентных движений (нейтральной атмосферной турбулентности) происходит под влиянием амбиполярной диффузии, и диффузионное время релаксации выражается формулой

где κ - постоянная Больцмана, М_i - средняя молекулярная масса ионов воздуха, ν_im - частота соударений ионов с молекулами, Т_е и Т_i - невозмущенные температуры электронов и ионов, равные на указанных высотах температуре молекул Т, коэффициент K=4π/λ, λ=c/ƒn - длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме, с - скорость света в вакууме, ƒ - частота возмущающего радиоизлучения, n - показатель преломления возмущающей радиоволны в ионосфере. В отсутствие спорадических слоев ионизации измеренное время релаксации неоднородностей (рассеянного сигнала) τ равно диффузионному времени τ_d: τ=τ_d. В этом случае средняя молекулярная масса ионов M_i на указанных высотах близка к средней молекулярной массе молекул воздуха, равной в указанном интервале высот М_i=29 аем (атомных единиц массы). На средних широтах спорадический слой Е образуется в результате движения положительных ионов металлов в магнитном поле Земли под действием неоднородного по высоте горизонтального ветра (Whitehead J.D. Recent work on mid-latitude and equatorial sporadic-E // JATP. 1989. V. 51. No 5. P. 401-424; Гершман Б.Н., Игнатьев Ю.А., Каменецкая Г.Х. Механизмы образования ионосферного спорадического слоя на различных широтах. - М.: Наука, 1976. - 108 с., Mathews J.D. Sporadic Е: current views and recent progress // JASTP. 1998. V. 60. N 4. P. 413-435.). В результате ракетных экспериментов на высотах нижней ионосферы (60-150 км) обнаружены положительные ионы металлов, предположительно, метеорного происхождения, а именно ионы натрия, магния, алюминия, калия, кальция, железа, никеля, кремния (Istomin V.G. Ions of extra-terrestrial origin in the earth's ionosphere // Space Res. 1963. No 3, P. 209; Narcisi R.S., Bailey A.D., Wlodyka L.E., Philbrick C.R. Ion composition measurements in the lower ionosphere during the November 1966 and March 1970 solar eclipse // JASTP. 1972. V. 34. P. 647-658; Grebovsky J.M., Goldberg R.A., Pesnell W.D. Do meteor showers significantly perturb the ionosphere? // JASTP. 1998. V. 60. P. 607-615; Kopp E. On the abundance of metal ions in the lower ionosphere, J. Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 9667-9674. doi:10.1029/97JA00384). Хотя кремний и не является металлом, при образовании слоя Е_s он проявляет металлические свойства. Эти ионы металлов имеют следующие атомные массы (округлены до целых значений аем - атомных единиц массы): [Na⁺]=23, [Mg⁺]=24, [Al⁺]=27, [Si⁺]=28, [K⁺]=39, [Са⁺]=40, [Fe⁺]=56, [Ni⁺]=59. Ракетные измерения показали, что концентрация сравнительно тяжелых ионов Са⁺ и Fe⁺ в слое E_s может достигать 80% и более от всей массы положительных ионов. В случае нахождения на исследуемых высотах тяжелых ионов время релаксации сигнала, рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, возрастает, так как согласно формуле (1) оно прямо пропорционально массе ионов. Отношение времен релаксации на высоте спорадического слоя Е (E_s) и фоновой E-области имеет вид

В (2) символами М_м и обозначены атомная масса металлических ионов и частота их соударений с нейтральными молекулами, а символами М_А и - средняя масса обычных атмосферных ионов и частота их соударений с нейтральными молекулами, n_Е и - показатели преломления возмущающей и равной ей по частоте зондирующей радиоволн в спорадическом слое Е (E_s) и фоновой Е-области. Масса усредненного атмосферного иона принимается равной М_А=29 аем.

Частоту соударений ионов с молекулами ν_im можно определить по измерениям с помощью радара некогерентного рассеяния (Fla T.S., Kirkwood S., Schlegel K. Collisional frequency in the high-latitude E-region with EISCAT // Radio Sci. 1985. V. 20. P. 785-793), однако чаще всего для расчета ν_im используется формула, приведенная в книге (Banks, D.F. and Kockarts, G. Aeronomy. Part A, Academic Press inc., New York, NY, 1973), полученная на основе большого числа лабораторных измерений. При расчете ν_im требуемые концентрации нейтральных частиц на высотах области Е задаются согласно разработанной и широко используемой модели атмосферы MSIS-E-90 (http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo/msis_vitmo.html).

Показатели преломления n_Е и фоновой F-области и спорадического слоя Е (E_s) в том же самом эксперименте измеряют с помощью метода, основанного на создании искусственных периодических неоднородностей на двух частотах (Беликович В.В., Н.В. Бахметьева, Е.Е. Калинина, А.В. Толмачева. Новый способ определения электронной концентрации в Е-области ионосферы по временам релаксации искусственных периодических неоднородностей // Известия вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49. №. 9. С. 744-750). Другим методом определения показателя преломления является его расчет на основе высотного профиля концентрации электронов, определяемого по ионограммам вертикального зондирования (Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. - М.: Физматгиз, 1960. 552 с.), которые всегда регистрируются ионозондом в период наблюдений.

Таким образом, измеряя время релаксации рассеянного сигнала τ_Es в спорадическом слое Е и диффузионное время релаксации рассеянного сигнала в фоновой E-области τ_E, рассчитывая значение частоты ионно-молекулярных соударений ν_im согласно (Banks D.F. and Kockarts G. Aeronomy. Part A, Academic Press inc., New York, NY, 1973.), измеряя и задавая величины показателей преломления n_Е и , определяем атомную массу положительных ионов металлов М_М по формуле

Из формул (1) - (3) следует, что наибольшее изменение времени релаксации рассеянного сигнала τ должно вызывать содержание в слое ионов металлов с атомной массой, превышающей среднюю атомную массу воздуха, то есть тяжелых ионов Са⁺ (М_М=40), Fe⁺ (56), Ni⁺ (59). Однако учет частоты соударений металлических ионов с нейтральными молекулами, которая отличается от частоты соударений с молекулами основных атмосферных ионов О₂⁺ и NO⁺, показывает, что определенное влияние на время релаксации рассеянного сигнала могут оказывать и более легкие по сравнению с молекулярными атомарные ионы Na⁺ (М_М=22), Mg⁺ (24), Al⁺ (27) и Si⁺ (28), но влияние этих ионов по сравнению с тяжелыми ионами железа и кальция оказывается существенно меньшим.

Реализуемость данного способа определения атомной массы положительных ионов металлов подтверждена в серии экспериментов, проведенных авторами изобретения в 2000-е годы на нагревном стенде СУРА (широта 56,1°; долгота 46,1°; Нижегородская область). В качестве возмущающего радиоизлучения, создающего искусственные периодические неоднородности, использовалось радиоизлучение трех синфазно работавших передатчиков стенда СУРА мощностью 250 кВт каждый, нагруженных на антенну с коэффициентом усиления G=100. Мощные передатчики нагревного стенда СУРА работали на частоте ƒ=4,7 МГц, излучая в зенит радиоволны необыкновенной поляризации возмущающего радиоизлучения с эффективной мощностью излучения ~80-100 МВт в режиме непрерывного излучения в течение 3 секунд с образованием искусственных периодических неоднородностей. По окончании возмущающего радиоизлучения в течение 12 секунд на стадии разрушения (релаксации) искусственных периодических неоднородностей передатчики стенда излучали в зенит в течение 12 секунд зондирующие радиоимпульсы длительностью 30 мкс и частотой повторения импульсов 50 Гц. В качестве приемника сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, использовался связной приемник Р-250 с расширенной до 80 кГц полосой пропускания.

На фиг. 2а показана высотная зависимость измеренного τ(h) времени релаксации (левая кривая) и амплитуды (правая кривая) сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическим неоднородностями для сеанса измерений с началом в 12 час 55 мин 07 с 4 октября 2006 г. На высотной зависимости τ(h) линией показан высотный ход диффузионного времени релаксации τ_d(h) рассеянного сигнала, который имеет место в фоновой Е-области без спорадического слоя Е (E_s). Стрелками показаны рост времени релаксации и амплитуды сигнала, рассеянного периодическими неоднородностями, в спорадическом слое Е (E_s). Для измерений в вечерние часы 15 июня 2001 г. для массы ионов получены значения 39 и 57 аем, которые близки к массам Са⁺ и Fe⁺ (Бахметьева Н.В., Беликович В.В., Каган Л.М., Понятов А.А. Заходно-восходные характеристики спорадических слоев ионизации в нижней ионосфере, наблюдаемые методом резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях ионосферной плазмы // Известия вузов. Радиофизика. 2005. Т. 48. №1. С. 16-32.). Экспериментально и теоретически установленная точность определения высоты рассеивающего слоя не превышает 0.5-1.5 км (Григорьев Г.И., Бахметьева Н.В., Толмачева А.В., Калинина Е.Е. Время релаксации искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы и диффузия в неоднородной атмосфере // Известия вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56. №4. С. 207-218).

В измерениях 26 сентября 2007 г. для высоты 100 км в разные часы наблюдений получены значения масс ионов М_м=58 и 44 аем, которые также близки к массам Fe⁺ и Са⁺ (Бахметьева Н.В., Беликович В.В., Егерев М.Н., Толмачева А.В. Искусственные периодические неоднородности в нижней ионосфере, волновые явления и спорадический слой Е // Известия вузов. Радиофизика. 2010. Т. 53. №2. С. 77-90). Отличие полученных значений М_М от масс ионов Fe⁺ и Са⁺ объясняется вкладом более тяжелых ионов, например Ni⁺, концентрация которого более чем на порядок меньше концентрации ионов железа (Goldberg R.A. and Aikin А.С. Comet Encke: Meteor metallic ion identification by mass spectrometer // Science. 1973. V. 180. P. 294-296).

На фиг. 2б) показана высотно-временная зависимость амплитуды сигнала А, рассеянного искусственными периодическими неоднородностями при существовании слоя E_s, иллюстрирующая влияние спорадического слоя Е на рассеянный сигнал, проявляющееся в росте его амплитуды и времени релаксации, для сеанса измерений с началом в 12 час 55 мин 07 с 4 октября 2006 г. На фиг. 3 дана ионограмма вертикального зондирования с наблюдавшимся в это время слоем E_s, используемая для расчета показателей преломления возмущающей радиоволны в спорадическом слое Е и фоновой E-области, для этих же измерений 4 октября 2006 г.

Изобретение относится к способам определения состава и концентрации положительных ионов в ионосфере Земли. Технический результат - возможность дистанционного радиофизического метода определения атомной массы положительных ионов металлов, преобладающих в спорадическом слое Е (E_s) ионосферы, то есть определение типа ионов, образующих этот слой, при значительном снижении затрат на проведение измерений по сравнению с другими методами и высокой точностью определения высоты слоя ионов. Способ определения атомной массы металлических ионов в спорадическом слое Е (E_s) включает формирование искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы, излучение в ионосферу зондирующих импульсов на стадии исчезновения (релаксации) искусственных периодических неоднородностей, прием сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, измерение амплитуды и определение времени релаксации обратно рассеянного сигнала в зависимости от высоты h. По уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в e раз на каждой высоте определяют время релаксации неоднородностей τ(h), которое в отсутствие спорадического слоя Е (Е_s) обусловлено амбиполярной диффузией с характерным временем τ_d(h), а при существовании спорадического слоя Е (E_s) - диффузией с характерным временем τ_Es(h), и по отношению времен τ_Es(h) и τ_d(h) определяют атомную массу или тип металлических ионов в спорадическом слое Е (E_s). 3 ил.

Способ определения атомной массы металлических ионов в спорадическом слое Е (Es), характеризующийся тем, что формируют искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте, выше критической частоты для E-слоя и ниже критической частоты для F-слоя, излучают в ионосферу зондирующие импульсы по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поляризацией, осуществляют прием сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, измеряют амплитуду и время релаксации обратно рассеянного сигнала, определяют высотную зависимость времени релаксации сигнала, обратно рассеянного сформированными возмущающим радиоизлучением периодическими неоднородностями на исследуемых высотах h, по уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала на каждой высоте определяют время релаксации неоднородностей τ(h), которое в отсутствие спорадического слоя Е (E_s) обусловлено амбиполярной диффузией с характерным временем τ_d(h), а при существовании спорадического слоя Е (E_s) - диффузией с характерным временем τ_Es(h) и по отношению времен τ_Es(h) и τ_d(h) определяют атомную массу или тип металлических ионов в спорадическом слое Е (E_s).