Наши космические пути

Особенностью непосредственных измерений характеристик ионосферы с помощью приборов, устанавливаемых на спутнике, является то, что в отличие от методов, основанных на изучении распространения радиоволн, результаты измерений не зависят от характеристик всей толщи ионосферы между спутником и Землей и от происходящих в ней процессов.

На спутнике определяются концентрация заряженных частиц в ионосфере и спектр масс положительных ионов. Наряду с измерениями напряженности электростатического поля у поверхности спутника, оказывающего влияние на результаты этих опытов, перечисленные измерения составляют единый комплекс опытов, взаимно дополняющих друг друга.

Измерение концентрации заряженных частиц

В ионосфере имеются три основных вида свободных заряженных частиц — положительные и отрицательные ионы и электроны. Сумма концентраций отрицательных ионов и электронов равна концентрации положительных ионов. Ионосфера электрически нейтральна. Поэтому, измерив концентрацию положительных ионов, можно определить полную концентрацию свободных заряженных частиц.

Изучение радиоволн, отраженных от ионосферы или прошедших через нее, позволяет получать сведения главным образом об электронной концентрации, так как влияние тяжелых заряженных частиц — ионов на распространение радиоволн более чем в тысячу раз слабее влияния более легких электронов. Так как до нэдавнего времени радиоволны были главным средством исследования ионосферы, все основные сведения о содержании заряженных частиц в ионосфере относились к электронам. О распределении ионов практически ничего не было известно.

Для измерения концентрации положительных ионов вдоль орбиты над поверхностью спутника установлены две сетчатые сферические ионные ловушки. Внутри каждой ловушки помещен сферический коллектор, находящийся под отрицательным потенциалом относительно оболочки. Созданное таким образом электрическое поле собирает на коллектор все попадающие в ловушку положительные ионы и выталкивает из нее отрицательные частицы. Так как скорость спутника во много раз превышает среднюю скорость теплового движения ионов, то при сферической форме ловушек можно считать, что поток ионов на поверхность ловушки полностью определяется движением спутника и не зависит от температуры воздуха, меняющейся с высотой, и от ориентации спутника относительно его скорости. Исключением является случай, когда ловушка попадает в область весьма высокого разрежения, образующуюся позади спутника. При наличии двух ловушек, расположенных указанным образом, по крайней мере одна из них всегда находится вне этой области. По величине ионного тока, текущего на коллектор ловушки, находящейся в потоке, можно определить концентрацию положительных ионов вблизи спутника.

Связь между измеренным ионным током и концентрацией ионов является простой, если электрический потенциал, приобретенный спутником при полете в ионосфере, достаточно мал (например, не превышает 1-2 вольт). Если же потенциал велик, то он может оказать на величину измеряемого тока существенное влияние, которое следует учесть. Для этой цели на сетчатые оболочки ловушек периодически поступают короткие импульсы напряжения относительно корпуса спутника.

При этом снимаются вольт-амперные характеристики, которые позволяют внести поправку, учитывающую влияние потенциала спутника на величину потока ионов, попадающих в ловушку. Прибор позволяет измерять ионные концентрации в пределах от десяти тысяч до пяти миллионов ионов в кубическом сантиметре.

Измерение концентрации положительных ионов позволит впервые получить данные о полной концентрации заряженных частиц в ионосфере над различными географическими районами Земли, на различных высотах, а также об изменениях ее при переходах из области, освещенной Солнцем, в область тени и обратно. Эти данные весьма важны для понимания процессов взаимодействия солнечного излучения с земной атмосферой.

Сопоставление измерений, проведенных в области, лежащей ниже так называемого главного максимума ионизации, находящегося на высоте 300-350 километров, с результатами наблюдений наземных ионосферных станций, позволяет сделать ряд выводов о концентрации отрицательных ионов на этих высотах и об ионизации воздуха, создаваемой движением самого спутника.

Можно ожидать, что измерения концентрации положительных ионов дадут новые данные о структуре внешней области ионосферы, дополняющие сведения об этой области, полученные при запусках ракет и первых искусственных спутников Земли. Можно также ожидать, что будут измерены размеры ионосферных неоднородностей.

Исследование состава ионосферы