Навигационные спутники способны следить за возмущениями в ионосфере

Искусственные спутники Земли, работающие в составе навигационных систем, таких как GPS и ГЛОНАСС, можно использовать для слежения за состоянием земной ионосферы. Необходимый для этого алгоритм создали иркутские ученые из Института солнечно-земной физики (ИСЗФ) СО РАН.

Работа была поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ). Статья с результатами исследования опубликована в журнале Results in Physics, кратко о них рассказывается в пресс-релизе РНФ.

Под действием космических лучей, в первую очередь – излучения Солнца, молекулы атмосферных газов теряют электроны, превращаясь в ионы. Поэтому наряду с нейтральными молекулами азота, кислорода и других газов в атмосфере присутствует плазма – ионизированный газ, состоящий из положительных ионов и оторванных от них отрицательных электронов. Ионосфера, где это наблюдается, составляет значительную часть атмосферы Земли. Ионизированный газ заметен уже на высоте около 60 километров. Постепенно его доля (степень ионизации) нарастает и достигает максимума в 250 – 400 километрах от поверхности Земли.

Ионосфера подразделяется на три области (слоя): D, E и F, где D – самый нижний слой.

Слои ионосферы отличаются друг от друга концентрацией заряженных частиц, этот же показатель определяет физические характеристики каждой области и их влияние на технические устройства. Дело в том, что ионизированный газ отражает радиоволны. При этом влияние ионосферы на волны разной длины отличается. Радиоволны короче 10 м она пропускает беспрепятственно, а более длинные отражает. Именно благодаря существованию ионосферы на нашей планете возможна передача радиосигналов на большие расстояния. Отражение длинных волн заряженными частицами обеспечивает их передачу по всему земному шару, физически невозможную по прямой линии.

Но возмущения, случающиеся в ионосфере, нередко приводят к сбоям в работе радиотехнических систем. Поэтому важной задачей становится мониторинг ее состояния. Навигационные спутники оказались удобным инструментом для этой цели. Для спутника можно определить полное электронное содержание, то есть количество электронов, вдоль луча, соединяющего спутник с Землей. Ранее на основе этого показателя уже было разработано несколько индексов, оценивающих состояние ионосферы, например ROTI, представляет собой среднее значение скорости, с которой изменяется полное электронное содержание. В нынешней работе предложен новый индекс – WTEC («индекс волновой активности полного электронного содержания»), который предполагает усреднение амплитуд возмущений полного электронного содержания по всем наблюдаемым в данный момент спутникам на основе полученных математических уравнений.

«Мы полагаем, что новый индекс WTEC имеет большой потенциал для исследования ионосферных возмущений — от изучения отдельных событий до построения глобальных карт возмущений. На основе WTEC, который может быть рассчитан в реальном времени, можно будет также оценивать риск возникновения сбоев в радиотехнических системах», – говорит руководитель гранта РНФ, доктор физико-математических наук, академик РАН, научный руководитель ИСЗФ СО РАН Гелий Жеребцов.