Способ определения параметров ионосферы земли и устройство для его осуществления

Способ определения параметров ионосферы земли и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к области геофизики и космической физики и может быть использовано для измерения электрических полей в ионосфере Земли с помощью научной аппаратуры, установленной на борту космического аппарата (КА). Технический результат: определение постоянной составляющей напряженности электрического поля в направлении вектора и в плоскости Сущность изобретения: инжектируют импульсный электронный пучок заданной энергии, сканируют его в плоскости П, проходящей через вектор и геометрическую ось инжектора определяют направление инжекции, в котором достигается максимум интенсивности электронов. Затем инжектируемый ионный пучок сканируют в плоскости П вблизи направления и определяют направление инжекции ионного пучка, в котором достигается максимум интенсивности ионов. Определяют угол между векторами как функцию текущего времени, и на основании этого вычисляют величины постоянной составляющей Е_zo, амплитуду Е_zA и частоту f_z переменной составляющей электрического поля в направлении вектора а по текущей временной зависимости величины максимума интенсивности приходящего в детектор ионного пучка, максимальной и минимальной величине электрического дрейфа ионов в плоскости определяют величину постоянной составляющей E_Q, амплитуду E_QA и частоту f_Q переменной составляющей электрического поля, лежащей в плоскости Устройство для осуществления способа определения параметров ионосферы Земли, содержащее размещенные на борту космического аппарата (КА) инжектор и детектор ионов, блок формирования команд на включение и выключение ионных систем, систему определения вектора индукции локального магнитного поля Земли систему определения вектора орбитальной скорости блок определения - составляющей орбитальной скорости на плоскость инжектор и детектор электронов, системы сканирования ионов и электронов; блок формирования команд на включение и выключение электронных систем, анализаторы максимумов интенсивности детектируемых пучков ионов и электронов; системы контроля инжектируемых ионного и электронного пучков, блок обработки, анализа информации и выдачи результатов, запоминающее устройство (ЗУ) вектора - геометрической оси инжектора электронов; блок определения - составляющей орбитальной скорости на плоскость блок определения угла между векторами блок определения угла между векторами - составляющей вектора на плоскость Q, блок памяти требуемых углов _{0 0}, _{0 0} и сравнения их соответственно с углами и . 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 табл., 7 ил.

Изобретение относится к области геофизики и космической физики и может быть использовано для измерения электрических полей в ионосфере Земли с помощью научной аппаратуры, установленной на борту космического аппарата (КА). Особенно целесообразно использование изобретения для определения с высокой точностью, в реальном масштабе времени напряженности электрического поля в ионосфере Земли с целью оперативного прогнозирования землетрясений, цунами и других катаклизмов естественного и искусственного происхождения.

Одной из важнейших задач экологического мониторинга является прогнозирование районов и сроков возникновения природных катастрофических явлений и, прежде всего, землетрясений, тайфунов и цунами. Результаты исследований космического пространства показывают, что в районах землетрясений за несколько часов до их начала регистрируются возмущения квазипостоянных и переменных (до 20 кГц) электрических и магнитных полей. В частности, в ряде работ [1-4] в качестве предвестников землетрясений классифицировались следующие регистрируемые явления: - эффект повышения интенсивности волновых излучений в КНЧ/ОНЧ диапазонах (0,1-15 кГц) в магнитных силовых трубках, опирающихся на эпицентральную область надвигающегося землетрясения [1-2]; - генерация квазипостоянных электрических полей и магнитных пульсаций на частотах порядка 1 кГц в ионосфере над очагом землетрясений и в магнитосопряженном районе [3]; - возбуждение пульсаций магнитного поля с частотами более 8 Гц в магнитных силовых трубках, соответствующих эпицентральным областям, за 1,5-4 часа до начала землетрясений [4] и др.

Данные измерения относятся к диапазону ультранизких частот (УНЧ), представляющему особый интерес, ввиду достаточно низкого уровня помех, и возможности использования для предсказания землетрясений, цунами и тайфунов [5]. В этом диапазоне (1-10 Гц) потоки энергии излучения в ионосфере (Н~500 км) имеют спектральный максимум, зависящий от глубины залегания источника тока (предвестника землетрясений) и параметров среды [6]. При горизонтальном размере источника ~ 20 км характерный размер зоны засветки в ионосфере оценивается величиной ~100 км.

Известен способ [7] измерения напряженности переменного электрического поля, основанный на помещении в область поля металлической пластины - чувствительного элемента, в результате чего происходит поляризация пластины, причем плотность положительных и отрицательных зарядов, наведенных на противоположных поверхностях пластины, оказывается пропорциональной величине напряженности электрического поля, и измеренная величина тока, протекающего между поверхностями пластины, является мерой напряженности измеряемого переменного электрического поля, при этом измеряемая величина тока изменяется с частотой изменения электрического поля. Данный способ реализован в устройстве [7], которое неоднократно использовалось на КА, в частности, три датчика "Зонд-Заряд" успешно функционируют в составе орбитальной станции ОС "МИР" с 1987 (1989) гг. [8,9].

В развитии данного способа и устройства, реализующего его, имеет место способ измерения напряженности постоянного электрического поля и устройство, реализующее его, отличающееся от предыдущих тем, что вышеупомянутая пластина помещается в электростатический металлический экран, при этом пластине с выбранной частотой сообщаются механические колебания, так чтобы в процессе колебаний пластина в фазе находилась в экране, а в фазе выходила из экрана в область, где расположено измеряемое постоянное электрическое поле. В этом случае возникающий электрический ток между поверхностями будет изменяться с выбранной частотой механических колебаний, а амплитуда тока будет пропорциональна величине измеряемой напряженности постоянного электрического поля. В вышеупомянутой НА "Зонд-Заряд" [7,8] имеется канал измерения напряженности постоянного электрического поля. Недостатком данного способа измерения напряженности переменного и постоянного электрического поля и устройства, его реализующего, является низкая чувствительность. Именно поэтому датчики типа "Зонд-Заряд" используются для измерения напряженности электрических полей на поверхности КА, имеющих значения, попадающие в диапазон величин напряженностей электрических полей, измеряемых датчиками такого типа, что видно из [8] и указанной ниже табл. 1. В частности, характеристики датчиков, используемых на ОС "МИР", приведены в табл. 1.

Известен способ измерения постоянных и переменных электрических полей путем размещения в ионосфере нескольких (как правило 4) электрических датчиков в определенном относительном геометрическом расположении, на выбранных (желательно больших) расстояниях между ними и измерении электрического напряжения между датчиками. В частности, для измерения постоянных и переменных электрических полей в ионосфере Земли используется научная аппаратура типа "Спектр-Зонд-СМ" [10] , представляющая собой четыре датчика, разнесенные в пространстве на расстояния от единиц до десятка метров и соединенные с блоком первичного преобразования (БПП) сигнала через электрически непроводящие штанги, которые предназначены для механического крепления датчиков, а также передачи сигнала от датчиков в БПП. Способ измерения напряженности электрического поля в данном случае основан на измерении разности потенциалов между двумя датчиками 1,2, расположенными на известном расстоянии l₁₂, и компонента электрического поля в направлении определяется ; аналогично определяются другие компоненты электрического поля. Достоинствами способа и устройства, его реализующего, является возможность измерения напряженности электрического поля с высокой чувствительностью (0,1...100 мВ/м), недостатками - необходимость строгого учета побочных напряжений, возникающих между датчиками, именно, холловского напряжения напряжения, связанного с отличием потенциала плазмы от "плавающего" потенциала датчика, при этом величина этого отличия зависит от параметров плазмы (концентрации и температуры) и величины фототока с поверхности датчика, которая, в свою очередь, зависит от материала поверхности датчика и светотеневых условий проведения космического эксперимента (КЭ). Холловское напряжение может учитываться методически при знании с нужной точностью локальных векторов (характерное значение E_x~0,2...0,5 В/м). Влияние факта отличия потенциала датчика от потенциала плазмы на точность измерений напряженности электрического поля в ионосферной плазме может быть уменьшено за счет выбора материала поверхности датчиков и обеспечения адекватности их прочих характеристик (формы, площади поверхности, светотеневой обстановки при проведении КЭ и т.д.).

Исследования упомянутых предвестников землетрясений с помощью устанавливаемой на космических аппаратах (КА) датчиковой аппаратуры для измерения электрических полей типа "Спектр-Зонд", несмотря на возможность измерения ею электрических полей с требуемой чувствительностью (при проведении целого ряда конструктивных и методических мероприятий), оказывается малоэффективным вследствие высокого уровня электромагнитных помех, создаваемых самими КА и превышающих, как правило, уровень электромагнитных возмущений, связанных с исследуемыми физическими явлениями. Принципиально возможно проводить вышеупомянутые высокочувствительные измерения электрических полей в ионосфере Земли на стандартных КА (и даже на крупногабаритных КА типа ОС "МИР", PC МКС) с применением НА типа "Спектр-Зонд" при установке их на фермах или выдвижных штангах, при этом должны быть разработаны мероприятия, обеспечивающие электромагнитную чистоту измерений датчиками (т.е. выбор необходимой длины ферм и штанг, а также обоснованный подбор материала, из которых они изготавливаются).

Возможна также установка высокочувствительной аппаратуры измерения электрических полей в ионосфере Земли (типа "Спектр-Зонд") на специализированные электромагнитно-чистые автономные субспутники, в частности, на орбитальном комплексе (ОК) "МИР" начаты такие работы, когда упомянутый субспутник доставляется транспортным грузовым кораблем (ТГК) "Прогресс" на ОС "МИР" и после проведения необходимых тестов отделяется от ОС "МИР" (или ТГК "Прогресс" при его автономном полете), и в дальнейшем субспутник функционирует в инфраструктуре ОК "МИР" (или в дальнейшем в инфраструктуре Российского сегмента Международной космической станции - PC МКС).

Известен способ измерения параметров магнитосферы Земли с помощью бариевых облаков [11]. Способ состоит в создании в магнитосфере сгустка разреженной плазмы путем выброса нейтрального бария с борта космического аппарата и его последующей ионизации солнечным излучением. Поведение ионизированного облака в магнитосфере определяется двумя основными процессами - диффузией и дрейфом в электрическом и магнитном полях. Измерение скорости дрейфа сгустка разреженной плазмы позволяет определить радиальную составляющую электрического поля (в направлении: наблюдатель - бариевое облако), а наблюдение за деформацией разреженного бариевого облака - установить направление магнитных силовых линий. Однако, эксперименты с бариевыми облаками обладают рядом недостатков, а именно: - эксперимент с бариевыми облаками необходимо проводить сразу после захода Солнца или перед его восходом, когда облако бария освещается лучами Солнца (для ионизации атомов бария) и когда солнечное излучение, рассеянное на молекулах воздуха, не попадает в объектив фотоаппарата; - эксперимент не позволяет определить перпендикулярную составляющую электрического поля, т. к. наблюдать за перемещением облака плазмы вдоль луча зрения невозможно. Использование для этой цели эффекта доплеровского смещения спектральных линий (пропорционального радиальной скорости электрического дрейфа) невозможно вследствие его малости для реально существующих электрических полей; - невозможна интерпретация процессов, происходящих при расширении бариевого облака в магнитосфере Земли. Анализ условий реализации, точности и темпов обработки информации в экспериментах с бариевыми облаками на современном этапе развития ионосферной физики не позволяет оперативно и достоверно определять параметры поля, например, для прогноза землетрясения.

Более перспективным является предложение [11] использовать для исследования возмущений поля в ионосфере инжекцию ионных пучков под определенным углом к силовой линии магнитного поля с последующим анализом траектории движения ионов. Предложенное в [11] техническое решение близко к заявляемому способу и устройству, реализующему способ, и поэтому может быть выбрано в качестве аналога. Способ-аналог согласно [11] предполагает инжекцию с борта КА ионов одинаковой массы и заданной кинетической энергией в определенных направлениях к вектору индукции магнитного поля Земли, которое предварительно необходимо определить с помощью векторного магнитометра на КА. Приемник ионов с анализатором, определяющим энергию ионов, устанавливается на другом КА, совершающем совместный полет с первым КА.

Более детальная проработка предложенной идеи с подробным расчетным обоснованием требований к инжектору и детектору заряженных частиц в устройстве для реализации предложенного способа на орбитальной станции "МИР" изложена в докладе [12] . Там рассмотрен эксперимент "Арфа-И", который предполагалось провести на ОС "МИР" с использованием ТГК "Прогресс" при полете ТГК в составе ОС "МИР", заключающийся в том, что инжектированные ионы аппаратурой "Арфа-И", установленной на ТГК "Прогресс", после ларморовского оборота в магнитном поле Земли принимаются детектором, который установлен на модуле "Квант" ОС "МИР". Там же определен угол инжекции - угол между направлением инжекции иона и проекцией орбитальной скорости ОС "МИР" на плоскость, перпендикулярную вектору индукции локального магнитного поля Земли , при котором реализуется попадание иона в детектор; определен также угол попадания иона в детектор. Однако в докладе не рассмотрены вопросы, связанные с измерением электрических и магнитных полей в ионосфере Земли путем ее зондирования импульсными ионными пучками.

В способе-прототипе [17] проводится инжекция импульсного ионного пучка ортогонально направлению вектора индукции локального магнитного поля , измеренного на КА, с определенной частотой следования f_имп и по совершению пучком ионов орбиты, составляющей часть ларморовской окружности (или несколько большую ларморовской окружности), импульс ионов регистрируется на детекторе, установленном на этом же КА.

Недостатком способа является то, что не указано то требуемое направление инжекции ионов в плоскости , которое обеспечивает возвращение ионов на детектор. Указанный способ-прототип позволяет измерять величину индукции магнитного поля в ионосфере Земли, но не позволяет измерять электрическое поле в ионосфере Земли.

Блок-схема устройства, реализующая предлагаемый способ-прототип, включает инжектор ионов, детектор ионного пучка, векторный магнитометр для измерения вектора индукции локального магнитного поля Земли и аппаратуру определения (измерения) вектора орбитальной скорости КА: , блок памяти исходных данных и блок обработки информации и выдачи результатов. В полетных условиях для каждого участка орбиты параметры векторов, известны с высокой точностью и могут быть заранее введены в блок памяти исходных данных.

Система работает следующим образом: при наличии требуемой ориентации инжектора ионов (вектора скорости ионов) относительно векторов , что определяет блок памяти исходных данных, получающий информацию от векторного магнитометра о векторе индукции магнитного поля Земли и аппаратуры определения (измерения) вектора орбитальной скорости КА , включаются инжектор и детектор ионов и начинается инжекция импульсов ионов инжектором и прием их детектором; информация поступает в блок обработки информации и выдачи результатов. Блок обработки информации и выдачи результатов принимает данные от: - магнитометра - о векторе магнитной индукции в области движения иона; - измерительной аппаратуры - о векторе орбитальной скорости КА - ; - блока памяти исходных данных - основные параметры, определяющие математическую модель предлагаемого способа.

Задачей изобретения является определение постоянных и переменных составляющих напряженности электрического поля в направлении вектора и в плоскости .

Существо предлагаемого способа определения постоянных составляющих E_zo, E_Q0 амплитуды E_zA, E_QA и частот f_z, f_Q переменных составляющих напряженности электрического поля в направлении вектора и в плоскости заключается в следующем: - на борту космического аппарата (КА) определяется направление вектора индукции квазипостоянного магнитного поля Земли , составляющей орбитальной скорости на плоскость и производится инжекция в плоскости Q под определенным углом к вектору пучка ионов заданной энергии с борта КА и его детектирование на этом же КА, при этом инжекцию и детектирование пучка ионов осуществляют в импульсном режиме, и перед инжекцией ионного пучка инжектируют импульсный электронный пучок заданной энергии, сканируют в плоскости П, проходящей через вектор и геометрическую ось инжектора, регистрируют на детекторе и определяют направление инжекции, в котором достигается максимум интенсивности электронов, принимаемых детектором, затем инжектируемый ионный пучок сканируют в плоскости П вблизи направления и определяют направление инжекции ионного пучка, в котором достигается максимум интенсивности ионов, принимаемых детектором, далее определяют угол между векторами как функцию текущего времени и на основании этого вычисляют величины постоянной составляющей E_zo, амплитуду E_zA и частоту f_z переменной составляющей напряженности электрического поля в направлении вектора , а по текущей временной зависимости величины максимума интенсивности приходящего в детектор ионного пучка определяют величину постоянной составляющей E_Q0, амплитуду E_QA и частоту f_Q переменной составляющей напряженности электрического поля, лежащей в плоскости .

Для решения поставленной задачи определения постоянных и переменных составляющих напряженности электрического поля в направлении вектора и в плоскости предлагается устройство для его реализации, содержащее инжекторы и детекторы ионов и электронов; систему определения вектора индукции локального магнитного поля Земли ; систему определения вектора орбитальной скорости ; системы сканирования ионов и электронов; блоки формирования команд на включение и выключение электронных и ионных систем; анализаторы максимума интенсивности детектируемого пучка ионов и электронов; системы контроля инжектируемых ионного и электронного пучков; блок обработки и анализа информации и выдачи результатов; запоминающее устройство (ЗУ) вектора - геометрической оси инжектора электронов; блок определения - составляющей орбитальной скорости на плоскость ; блок определения угла между векторами ; блок определения угла между векторами ; блок памяти требуемых углов ₀₀, ₀₀ и сравнения их соответственно с углами и .

Выходы и входы блоков формирования команд на включение и выключение электронных и ионных систем соответственно подключены к входам инжекторов, детекторов, систем сканирования, блоков контроля инжектируемых пучков и анализаторов максимумов интенсивности детектируемых пучков электронов и ионов, при этом выходы детекторов электронов и ионов соответственно подключены ко входам анализаторов максимума интенсивности детектируемых пучков электронов и ионов, а выход анализатора максимума интенсивности детектируемого пучка электронов подключен ко входу блока формирования команд на включение и выключение ионных систем и ко входу системы сканирования ионов. Выход блока формирования команд на включение и выключение ионных систем подключен ко входу блока формирования команд на включение и выключение электронных систем. Выходы системы определения вектора индукции локального магнитного поля Земли и системы определения вектора орбитальной скорости подключены ко входам блока определения , при этом выход системы определения вектора индукции локального магнитного поля Земли и выход ЗУ вектора подсоединены к входам блока определения угла между векторами , выход которого подсоединен ко входу блока памяти требуемых углов ₀₀, ₀₀ и сравнения их соответственно с углами и , ко входу которого подсоединен выход блока определения угла между векторами , при этом ко входу блока определения угла между векторами подсоединены выходы ЗУ и блока определения составляющей орбитальной скорости на плоскость , выход блока памяти подсоединен ко входу блока формирования команд на включение электронных систем, и, наконец, выходы блоков формирования команд на включение и выключение электронных и ионных систем, системы определения вектора индукции локального магнитного поля Земли , системы определения вектора орбитальной скорости , ЗУ вектора - геометрической оси инжектора электронов, блока определения - составляющей орбитальной скорости на плоскость , блока определения угла между векторами , блока определения угла между векторами , блока памяти требуемых углов ₀₀, ₀₀ и сравнения их соответственно с углами и подключены к входу блока обработки и анализа информации и выдачи результатов.

В ряде случаев является целесообразным объединение в одном блоке инжектора ионов и инжектора электронов, детектора ионов и детектора электронов, системы сканирования электронов и системы сканирования ионов, системы контроля инжектируемого электронного пучка и системы контроля инжектируемого ионного пучка. Такое объединение позволит решить проблему взаимной увязки геометрических осей электронного и ионного пучков, что является существенным обстоятельством для решения поставленной задачи, а также позволит объединить блоки формирования команд на включение и выключение электронных и ионных систем, а также анализатор максимума интенсивности детектируемого пучка электронов и анализатор максимума интенсивности детектируемого пучка ионов. Все это даст возможность снизить массово-габаритные характеристики устройства в целом, что крайне важно для ракетно-космических систем. Наконец, на основании предыдущего опыта проведения геофизических космических экспериментов на ОС "МИР", требующих знания в данный момент времени вектора индукции локального магнитного поля Земли , что закладывается в память бортового цифрового вычислительного комплекса (БЦВК) с корректировкой заложенных данных модели магнитного поля Земли путем измерений трехкомпонентным магнитометром на борту. Известно также, что в БЦВК содержатся данные о векторе орбитальной скорости КА, как функции текущего времени, при движении КА по орбите. Все это дает возможность в поблочной схеме предлагаемого устройства функционального объединения системы определения вектора орбитальной скорости , системы определения вектора индукции локального магнитного поля Земли , запоминающего устройства (ЗУ) вектора - геометрической оси инжектора электронов, блока определения угла между векторами , блока определения угла между векторами и блока памяти требуемых углов ₀₀ и ₀₀ и сравнения их соответственно с углами и в единый блок, являющийся составной частью БЦВК.

Приведем научно-техническое обоснование возможности реализации способа определения постоянных составляющих E_zo, E_Q0, амплитуд E_zA, E_QA и частот f_z и f_Q переменных составляющих напряженности электрического поля в направлении вектора и в плоскости Алгоритм определения угла ₀ между вектором скорости инжекции пучка и осью х, перпендикулярной к : Рассмотрим движение иона в плоскости Q, перпендикулярной вектору индукции магнитного поля Земли в системе координат, движущейся со скоростью (компонента орбитальной скорости КА, лежащая в плоскости Q) относительно Земли, необходимо ввести электрическое поле В рассматриваемой (на фиг. 1, 2) системе координат векторное уравнение движения иона принимает вид: Решение данной системы уравнений с учетом начальных условий (на фиг. 1 начальный угол инъекции иона +₀, на фиг. 2 - (-₀) принимает вид: здесь - циклическая (ларморовская) частота обращения иона.

Считая, что детектор находится в точке инжекции иона, выделим из множества циклоид, задаваемых величинами _орбQ, _инж0, те, которые проходят через начало координат.

Запишем уравнения движения иона (5), введя безразмерное время в виде Z = t/_л, где _л - время ларморовского обращения иона: Если величина t₀ определяет время попадания иона в детектор (тогда Z₀ = t₀/_лар ), то система из двух уравнений (6) примет вид: Несложные преобразования позволяют привести эту систему уравнений к виду: Данная система уравнений связывает абсолютную величину угла ₀ инжекции иона в плоскости Q в принятой системе координат и относительное время движения Z₀ от инжектора до детектора (для данной точки орбиты, задающей величину _орбQ, и для определенного иона с энергией покоя E₀, кинетической энергией T₀ и соответственно скоростью _инж0 = Csgrt(2T₀/E₀). В табл. 2 представлены вычисленные значения ₀, Z₀ и ф₀ = Z₀ для ионов дейтерия с кинетическими энергиями Т= 1, 3, 10, 30, 100 кэВ для двух точек орбиты - в восходящем узле орбиты (магнитный экватор) с _орбQ = 0,484 см/мкс и в точке кульминации орбиты _орбQ = 0,78 см/мкс. Определим величину смещения z электрона и иона за период ларморовского обращения _лар в направлении при наличии квазипостоянного электрического поля , критерием квазипостоянности электрического поля является требование, что за период ларморовского обращения частицы величина меняется незначительно, т. е. . Последнее условие означает, что частота изменения переменного электрического поля должна быть много меньше частоты ларморовского обращения. Для представляющих интерес ионов водорода или дейтерия частота изменения электрического поля не должна превышать f_макс30 Гц. Итак величина смещения z частицы за время _л Ожидаемые значения E_zo=0,1...100 мВ/м [13] для ионов дейтерия _л3 мс, для электронов _л1 мкс, [14]. В соответствии с соотношением (9) величина смещения электрона z_e= (10^-3 ...10) см, иона z_i=0,05...500 м. Видно, что наличие ожидаемых электрических полей E_zo=0,1...100 мВ/м вдоль вектора не приводит (за исключением E_zo= 40...100 мВ/м) к уходу электрона из пл. Q на размер, больший размера окна детектора l_g4 см, и наоборот смещает ион вдоль вектора на размер, заведомо больший размера окна детектора. Если, например, вектор электрического поля , то для того, чтобы ион дейтерия зарегистрировать на детекторе, необходимо при его инжекции сообщить ему начальную составляющую скорости направленную против вектора ; тогда уравнение движения иона вдоль оси будет иметь вид где начало координат оси z: z_o=0 совпадает с центром инжектора и окна детектора. Условие попадания пучка ионов в окно детектора после совершения ларморовского оборота: Откуда: обозначая основную составляющую скорости иона, лежащую в плоскости Q, через _Q, получим, что угол между векторами дается выражением: откуда величина E_zo выражается через [14]: где m_i - масса иона.

Окончательно: где T_i - кинетическая энергия ионов, W_i - энергия покоя ионов.

В табл. 3. представлены значения ожидаемого угла (град) между векторами для четырех значений E_zo=0,1; 1; 10; 100 м