Учёные из Научно-исследовательского радиофизического института (НИРФИ) ННГУ им. Н.И. Лобачевского разработали новый способ определения концентрации электронов в Е-слое ионосферы Земли. Это один из основных параметров, определяющих процесс распространения радиоволн. Сведения об электронной концентрации позволяют прогнозировать условия распространения радиоволн, анализировать эффекты воздействия мощного радиоизлучения на ионосферу Земли и изучать её характеристики в динамике. Исследования проходили при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Российского научного фонда.
Новый способ определения концентрации электронов реализован на нагревном стенде СУРА — многофункциональном комплексе для исследования околоземного и космического пространства. Объект входит в число уникальных российских научных установок.
Нагревный стенд, состоящий из трёх коротковолновых передатчиков и фазированной антенной решётки из 144 элементов, излучает в зенит мощные радиоволны. Под их воздействием в ионосфере в интервале высот от 50—60 км до 250—350 км образуются искусственные периодические неоднородности (ИПН) ионосферной плазмы, то есть неоднородности температуры и концентрации электронов. Ученые предложили новую формулу, которая определяет электронную концентрацию по измерениям характеристик радиоволн, рассеянных этими неоднородностями в ионосферной плазме. Разработка позволяет определить концентрацию электронов в области 90—130 км, так называемом, E-слое ионосферы. Эта область высот наименее доступна для других методов.
Одна из авторов исследования, ведущий научный сотрудник отдела распространения радиоволн и дистанционного зондирования Наталия Бахметьева поясняет:
«Разработанный нами способ даёт высокую точность измерений и высотно-временное разрешение. Погрешность определения электронной концентрации составляет не более 5—10%, а например, погрешность широко используемых при анализе распространения радиоволн моделей ионосферы может достигать 30%. Временное разрешение способа составляет 10—15 секунд, разрешение по высоте порядка 1 км. Это означает, что каждые 10—15 секунд мы получаем высотный профиль электронной концентрации с шагом по высоте 1 км. Это очень хорошие показатели».
В отличие от верхних слоев ионосферы, нижние слои — в интервале высот 50—150 км — не так подробно исследованы. Сегодня изучение этой части атмосферы — одна из главных задач физики ионосферы и космической плазмы. Это переходная область, где происходит взаимодействие термосферы, которая регулируется солнечной активностью, и тропосферы, формирующей погоду и климат. Движения нейтрального газа на этих высотах могут искажать траектории ракет. Здесь происходит сильное торможение космических аппаратов, которые, в свою очередь, также возмущают естественное состояние ионосферы.
Учёные Университета Лобачевского получили патент на изобретение «Способ определения высотного профиля электронной концентрации» в 2021 году. Эта разработка продолжает цикл проектов НИРФИ ННГУ по определению параметров ионосферной плазмы с помощью искусственных периодических неоднородностей (ИПН), создаваемых мощным радиоизлучением стенда СУРА. Нижегородские учёные открыли это физическое явление в конце 1970-х годов. С тех пор исследования с использованием ИПН продолжаются и расширяются. В числе проектов последних лет: исследования атмосферной турбулентности в области высот 60—90 км; способ исследования диффузионных явлений в нижней ионосфере и другие.
В 2014 и 2018 гг. сотрудники НИРФИ и радиофизического факультета выполнили также исследования ионосферы методом создания искусственных периодических неоднородностей на нагревном стенде HAARP (США) и в радиообсерватории Аресибо (Пуэрто-Рико).
Напомним, что стенд СУРА — единственный в мире исследовательский центр по изучению взаимодействия мощных радиоволн с ионосферной и околоземной плазмой, расположенный в средних широтах. В 2020 году при поддержке Минобрнауки стартовал проект модернизации установки. Модернизация будет способствовать безаварийной работе нагревного стенда СУРА со стабильными параметрами излучения мощных радиоволн, а также комплексному применению разработанных способов мониторинга ионосферы.
