Геофизические исследования

Температура, влажность, давление и некоторые другие параметры – всё это те характеристики приземного слоя атмосферы, которые исследуют метеорологи. Изучением процессов, происходящих на высотах от примерно 70 километров и выше, занимаются геофизики. Научный интерес Павла Барышева (ААНИИ) и Сергея Пильгаева (ПГИ РАН) сосредоточен на ионосфере – верхней части атмосферы Земли, где, кроме электрически нейтральных молекул газа присутствует значительное количество электронов и ионов. Когда не было спутников, только благодаря существованию ионосферы была возможна передача радиосигналов на большие расстояния. Ионизация газа на этих высотах происходит в дневные часы, в основном, под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Ионизацию нижнего слоя ионосферы, который занимает диапазон высот от 70 до 100 километров, создают, в основном, космические лучи. Они представляют собой потоки высокоэнергичных положительно заряженных частиц. Интенсивность этих потоков не постоянна и меняется в зависимости от разных причин. Вместе с процессом ионизации идёт процесс рекомбинации ионов и электронов, то есть процесс восстановления нейтральных молекул. Поэтому концентрация заряженных частиц увеличивается днём и уменьшается ночью и, кроме того, зависит от степени возмущённости магнитосферы Земли.

Ночью концентрация заряженных частиц в ионосфере поддерживается рассеянным ультрафиолетовым излучением Солнца, диффузией плазмы из более высоких слоёв и другими процессами.

Так как ионосфера является электропроводящей средой, она влияет на параметры распространяющихся в ней радиоволн. Поэтому регулярные определения параметров ионосферы (концентрации заряженных частиц, их распределение по высотам, их временные вариации, связь с другими геофизическими явлениями) дают возможность выбрать оптимальные частоты радиосвязи, оценить степень воздействия естественных возмущений магнитосферы на процессы на поверхности Земли. Эта и другая информация представляет значительный интерес и для науки, и для практического применения.

Для регистрации радиосигналов, проходящих через ионосферу, непосредственно на ледовой станции размещена риометрическая аппаратура и приёмник электромагнитных сигналов очень низкой и сверх низкой частоты (СНЧ/ОНЧ приёмник), а на борту НЭС «Академик Трёшников» – комплекс наклонного зондирования ионосферы. На ледовой станции антенны риометра и приёмника СНЧ/ОНЧ установлены рядом с павильоном, изготовленным из немагнитных материалов специально для размещения магнитометрической аппаратуры, а также немагнитной аппаратуры других методов исследований.

Риометр предназначен для измерения изменений уровня поглощения космического радиоизлучения непосредственно в месте размещения дрейфующей станции. Уровень поглощения зависит от степени ионизации нижнего слоя ионосферы, которая, в свою очередь, зависит от интенсивности потока положительно заряженных частиц (протонов), достигших нижнего слоя ионосферы. Таким образом, по показаниям риометра можно судить о степени ионизации нижнего слоя ионосферы и об интенсивности потока протонов.

Вторая антенна связана с приёмником очень низких и сверхнизких частот сверхдлинных волн. «У Полярного Геофизического Института  РАН несколько приёмных станций СНЧ/ОНЧ, данные на каждой станции чётко привязаны ко времени, что позволяет при исследовании прохождения сигналов по радиотрассам изучать характеристики среды распространения. Регистрируя СНЧ/ОНЧ излучения на поверхности дрейфующей льдины, мы получим уникальные данные из высокоширотной области вблизи полярной шапки», – рассказывает Сергей Пильгаев.

На борту НЭС «Академик Трёшников» установлен комплекс наклонного зондирования ионосферы (НЗИ) сигналами с линейно-частотной модуляцией для исследования распространения радиоволн коротковолнового диапазона.

«В некоторых российских городах, а также на Кипре, расположены станции, излучающие радиосигналы, необходимые для их использования в методе НЗИ. Мы на борту ведём их приём и получаем таким образом информацию о состоянии трасс прохождения радиосигнала. На ионограммах (это графики зависимости времени, затраченного радиосигналами разной частоты, на путь от их источника до приёмника) можно проследить особенности распространения радиосигналов по каждому из путей их следования. Сеть станций с такой протяжённостью трасс, с переходом выше авроральной зоны и входом в зону полярной шапки является уникальной. Это позволят существенно уточнить состояние ионосферы в труднодоступных районах, которые являются районами повышенной магнитной и ионосферной возмущённости», – отмечает Павел Барышев.

Геофизики проводят наблюдения и магнитного поля Земли. Регистрация величины магнитного поля ведется с помощью разработанного в Екатеринбурге векторного оверхаузеровского магнитометра POS-4. Исследование магнитного поля имеет как фундаментальное, так и прикладное значение. Полученные совершенно уникальные данные содержат информацию о структуре постоянного магнитного поля Земли вдоль пути дрейфа ледовой станции, позволяют уточнить и дополнить существующие модели постоянного магнитного поля Земли, а также получить дополнительную информацию о характере магнитных вариаций и интенсивности электрических токов, возникающих в зоне полярной шапки во время магнитных возмущений.

Дневники рейса ведёт Сергей Пряхин, научный сотрудник отдела ледового режима и прогнозов ААНИИ.