Космические токи

Пилоты и пассажиры летательных аппаратов превращаются в космонавтов, когда достигают высоты 100 км. Эта высота считается нижней границей околоземного космического пространства (геокосмоса). Однако не стоит думать, что там царит космическая пустота. Выше отметки 100 км над уровнем моря (так называемой линии Кармана) располагается примерно 0,00003% общей массы земной атмосферы. Эта среда чрезвычайно изменчива, в ней происходят сложные физические, химические и электромеханические явления, одно из которых - ветер. Ветры в геокосмосе изменяют траектории спутников и наводят в ионосфере электрические поля. Типичная скорость ветра здесь составляет обычно около 100 м/с (больше, чем в урагане пятой категории), но во время геомагнитных штормов может достигать немыслимых для случая земной поверхности значений - до 800 м/с.

Небесное динамо

Мы уже писали в «Энерговекторе» о глобальной электрической цепи (см. № 1/2014, с. 10). Помимо грозовых источников тока в ней имеются, например, ионосферные генераторы. Что это такое? Поскольку атмосфера на высоте около 100 км обладает довольно большой электропроводностью, ветры подобны движущимся проводникам. И когда они дуют в направлениях, перпендикулярных силовым линиям магнитного поля, в ионосфере возникают индуцированные электрические токи.

Ветры в приповерхностном слое тропосферы формируются в первую очередь градиентами атмосферного давления и силой Кориолиса, обусловленной вращением Земли. Эти же факторы влияют на интенсивность и направление ветра в термосфере (слой атмосферы, расположенный выше отметки 90 км над уровнем моря). Здесь разница температур, следовательно, и давлений, на освещённой Солнцем и ночной стороне создаёт ветры со скоростями порядка 100 м/с, дующие с дневной на ночную сторону. Но есть и ряд других факторов, влияющих на термосферные ветры. Во-первых, это атмосферные волны и приливы, распространяющиеся из нижележащих слоёв атмосферы. Во-вторых, поскольку с увеличением высоты воздух становится всё более разрежённым, его вязкость, обратно пропорциональная длине свободного пробега молекул, возрастает, поэтому распространяющиеся по вертикали волны гасятся. В-третьих, движение ионизированной части термосферы, то есть ионосферы, ограничивается геомагнитными и электростатическими силами.

Столкновения ионов с нейтральными молекулами могут как усиливать, так и замедлять нейтральные ветры. Усиление наиболее заметно в высоких широтах, где сильные электрические поля, возникающие при взаимодействии солнечного ветра и земной магнитосферы, толкают вверх конвекционные потоки ионов, которые, в свою очередь, усиливают нейтральные ветры. Во время особенно сильных геомагнитных штормов, например, случившегося в октябре 2003 г. сразу после максимума солнечной активности, наблюдались термосферные ветры со скоростями выше 800 м/с.

Практические задачи

Чем же интересны ветры, дующие на таких огромных высотах? Оказывается, их характеристики совершенно необходимо знать для предсказания распространения радиоволн и расчёта орбит спутников. Ветры, переносящие ионы и электроны, формируют сложные конфигурации электрических полей и токов в ионосфере, в свою очередь влияющие на распространение радиоволн. Иногда возникают ионосферные нестабильности и неоднородности, которые рассеивают радиоволны и делают отдельные диапазоны радиоспектра непригодными для связи. Загоризонтная радиолокация, использующая ионосферное отражение, вообще немыслима без достоверных данных о состоянии ионосферы. Кроме того, ионосферные ветры могут вызывать фазовые сдвиги сигналов GPS, из-за которых возникают ошибки определения местоположения до нескольких метров.

Термосферные процессы - один из главных источников неопределённости при предсказании параметров низких орбит спутников. Ветры создают заметную тормозящую силу, особенно для спутников, имеющих большие солнечные панели. Скорость ветра 100 м/с составляет примерно 1,3% относительно орбитальной скорости спутника, так что пренебрегать ею значит вносить в расчёты заметные ошибки.

Новые флюгеры

Однако о том, как ведёт себя ветер на больших высотах, до недавнего времени люди вообще ничего не знали. Дело в том, что если измерить направление и силу ветра у земли довольно просто (всем известны такие приборы, как флюгер или анемометр), то с высотой производить эти измерения становится всё труднее. До 1960 г. учёные имели более или менее подробное представление о ветрах только до высоты примерно 30 км. Измерительные приборы запускались в атмосферу с помощью надувных шаров-зондов. В те времена даже появлялись гипотезы об отсутствии динамических процессов в верхней атмосфере. Более того, уже открытые наукой ионосферные слои долго изучались именно в предположении, что никакого движения воздуха в них нет.

Запуск ракеты для измерения параметров ионосферы

Настоящую революцию во взглядах совершили ракетные и радиофизические исследования верхней атмосферы. Ветер измеряют, помещая на ракете специальные датчики или выбрасывая из неё на заданной высоте искусственные облака (например, натриевые или бариевые). Широко применяется ракетно-гранатный метод (до высот примерно 90 км), основанный на использовании зависимости скорости распространения звука в атмосфере от её температурно-ветровых характеристик.

В настоящее время разработаны дешёвые малые ракеты и методики измерений параметров ветра на больших высотах. В качестве датчиков используются, например, нарезанная металлическая фольга или тонкие посеребрённые стеклянные нити. Выброшенное из ракеты облако таких отражателей медленно оседает на землю и одновременно уносится ветром. Учёные с помощью радиолокаторов улавливают отражённый от облака сигнал и определяют скорость и направление его движения, а с ними - скорость и направление ветра.

Во всех диапазонах

Информацию о ветре в слое 80-100 км дают методы оптического и радиолокационного слежения за метеорными следами. При этом метеорный след фотографируют из двух-трёх разнесённых пунктов. По снимкам видно, что метеорные следы движутся, их сносит ветром. Иногда даже след разделяется на части, которые движутся в разные стороны. Это говорит о том, что метеорное тело прошло через такое место, где ветры меняют направление. Радиолокатор определяет скорость метеорного следа по допплеровской разности частот радиоимпульсов, излучаемых и отражённых от ионизированного метеорного следа.

А как же наблюдать и измерять ветер выше метеорной зоны? Здесь на помощь приходят «ионосферные облака», неоднородности в распределении концентрации свободных электронов и ионов, области сгущения и разрежения в ионосферной плазме протяжённостью от нескольких сотен метров до десятков километров. Ионосферные неоднородности, по крайней мере в нижней ионосфере, дрейфуют со скоростью ветра.

Измерение движения ионосферных неоднородностей можно производить, используя радиоволны. Можно излучать радиоволны с земли и затем принимать отражённые от неоднородностей ионосферы сигналы, а можно просто принимать излучение какой-нибудь радиозвезды, прошедшее через ионосферное облако. Если принимать сигнал в одной точке, то его амплитуда будет меняться во времени.

Замирания отражённого от ионосферы сигнала или излучения радиозвезды вызваны наличием неоднородностей и ветров в ионосфере. Наиболее простой метод определить направление и скорость ветра - принять радиосигнал не в одной, а в нескольких точках на земле, например, в вершинах прямоугольного треугольника. Катеты такого треугольника удобно расположить по странам света: один в направлении север - юг, другой - в направлении запад - восток. Чем больше треугольник, тем более крупные неоднородности можно изучить.

Приёмные антенны подключают к трём радиоприёмникам. Принятые сигналы записываются. Возникают три кривые - для каждой антенны своя. Они и показывают, как меняется амплитуда сигналов. Если внимательно посмотреть, можно заметить, что кривые очень похожи, но сдвинуты во времени относительно друг друга. Это происходит потому, что неоднородности проходят над системой антенн так, что сигнал усиливается (или ослабляется) сначала на одной антенне, затем на другой, потом на третьей. Измерив эти временные сдвиги и зная, как и на каком расстоянии друг от друга расположены антенны, легко рассчитать скорость и направление движения ионосферных облаков.

По существу, методов прямого измерения скорости ветра на высотах выше 200 км пока практически нет. Некоторую усреднённую за очень большой период (иногда несколько месяцев, а то и лет) информацию о поведении атмосферы на этих высотах дают наблюдения за торможением спутников.

* * *

Таким образом, мы живём внутри большой электрической системы - сложной и изменчивой, состоящей из множества невидимых электрогенераторов, проводников и нагрузок. Наша задача - научиться учитывать и, в идеале, использовать создаваемые этой системой эффекты.