Наши космические пути

Коллектив авторов

Связь между измеренным ионным током и концентрацией ионов является простой, если электрический потенциал, приобретенный спутником при полете в ионосфере, достаточно мал (например, не превышает 1-2 вольт). Если же потенциал велик, то он может оказать на величину измеряемого тока существенное влияние, которое следует учесть. Для этой цели на сетчатые оболочки ловушек периодически поступают короткие импульсы напряжения относительно корпуса спутника.

При этом снимаются вольт-амперные характеристики, которые позволяют внести поправку, учитывающую влияние потенциала спутника на величину потока ионов, попадающих в ловушку. Прибор позволяет измерять ионные концентрации в пределах

от десяти тысяч до пяти миллионов ионов в кубическом сантиметре.

Измерение концентрации положительных ионов позволит впервые получить данные о полной концентрации заряженных частиц в ионосфере над различными географическими районами Земли, на различных высотах, а также об изменениях ее при переходах из области, освещенной Солнцем, в область тени и обратно. Эти данные весьма важны для понимания процессов взаимодействия солнечного излучения с земной атмосферой.

Сопоставление измерений, проведенных в области, лежащей ниже так называемого главного максимума ионизации, находящегося на высоте 300-350 километров, с результатами наблюдений наземных ионосферных станций, позволяет сделать ряд выводов о концентрации отрицательных ионов на этих высотах и об ионизации воздуха, создаваемой движением самого спутника.

Можно ожидать, что измерения концентрации положительных ионов дадут новые данные о структуре внешней области ионосферы, дополняющие сведения об этой области, полученные при запусках ракет и первых искусственных спутников Земли. Можно также ожидать, что будут измерены размеры ионосферных неоднородностей.

Исследование состава ионосферы

Земная атмосфера состоит из смеси различных газов. Состав ее у поверхности Земли изучен достаточно хорошо. Сведения о составе верхних слоев атмосферы в настоящее время весьма противоречивы. Одной из важнейших характеристик газов, входящих в состав атмосферы, так же как и вообще всех существующих химических элементов, являются их атомный и молекулярный веса, которые принято выражать в условных единицах, так называемых атомных единицах массы. За атомную единицу массы принимают величину, равную ¹/₁₆ веса атома кислорода. Молекулярный вес кислорода, состоящего из двух атомов, равен 32. Атомный вес азота равен 14, молекулярный вес — 28.

Анализируя молекулярные и атомные веса различных соединений и смесей, можно сделать заключение об их химическом составе. Для определения атомных и молекулярных весов элементов и их соединений, составляющих какую-либо смесь, используются приборы, называемые масс-спектрометрами.

Масс-спектрометр, установленный на третьем советском спутнике, предназначен для определения спектра масс положительных ионов, имеющихся в ионосфере Земли. Зная массовые числа ионов, можно сделать некоторые заключения и о химическом составе ионосферы.

Масс-спектрометрическая трубка — чувствительный элемент прибора — сообщается своим открытым входным отверстием непосредственно с окружающим пространством. Она содержит ряд тонких проволочных сеток-электродов, расположенных на определенных, точно фиксированных расстояниях друг от друга. За сетками имеется коллектор, представляющий собой металлическую пластинку, собирающую ионы, вошедшие в масс-спектрометрическую трубку и прошедшие все сетки.

На электроды трубки подаются различные постоянные и переменные напряжения, вырабатываемые в электронном блоке масс-спектрометра. Эти напряжения выбраны таким образом, что достичь коллектора могут лишь те ионы, которые прошли трубку с некоторой оптимальной скоростью. Ионы, проходящие трубку со скоростями больше или меньше

оптимальной, на коллектор не попадают. Скорость, с которой ионы проходят масс-спектрометрическую трубку, определяется, с одной стороны, их массой, а с другой — ускоряющим ионы напряжением, приложенным к некоторым сеткам трубки.

Ускоряющее напряжение периодически изменяется от нуля до своего максимального значения. Благодаря этому оптимальная скорость сообщается поочередно ионам с различными массовыми числами. Когда ионы достигают коллектора, в его цепи возникает импульс тока, который усиливается и передается радиотелеметрической системой на Земле. Одновременно передается и ускоряющее напряжение, имеющееся в данный момент на сетках трубки масс-спектрометра.

Если в ионосфере имеются ионы только одной массы, то приемной станцией регистрируется один импульс ионного тока за каждый цикл изменения ускоряющего напряжения. При более сложном составе ионосферы регистрируются два или более импульса за каждый цикл. Массовое число ионов, соответствующее каждому импульсу, может быть определено путем сравнения записи спектра масс с записью ускоряющего напряжения масс-спектрометра.

Исследование электростатических полей

В результате ряда процессов, происходящих как в межпланетном пространстве, так и в самой атмосфере, Земля вместе со своей атмосферой в целом приобретает некоторый электрический заряд. Электрическое поле, создаваемое этим зарядом, должно воздействовать на скорость и направление заряженных частиц, пролетающих в межпланетном пространстве. Оно может оказывать влияние на ряд геофизических явлений (полярные сияния и т. д.). Данные об электрических полях в верхних слоях атмосферы могут существенно помочь в выяснении причины существования отрицательного заряда Земли и положительного заряда атмосферы, создающих между Землей и ионосферой разность потенциалов в несколько сотен тысяч вольт.

Хотя в ряде теорий, объясняющих происхождение полярных сияний и корпускулярных потоков, и предполагается наличие электростатических полей в верхних слоях атмосферы, непосредственное измерение или косвенное их определение никогда не производились. Дело в том, что хорошо проводящий слой ионосферы препятствует проникновению электростатических полей в нижележащие слои атмосферы, подобно тому, как это сделал бы гигантский металлический экран, помещенный вместо ионосферы.

По этой же причине нельзя измерить с помощью приборов, расположенных ниже ионосферы, электростатические поля, существующие в межпланетном пространстве.

Измерение электростатических полей с помощью спутников осложнено тем, что любое тело, помещенное в верхние слои атмосферы, должно приобрести электрический заряд, поле которого, если его не учесть, складываясь с измеряемым полем, исказит результаты измерений.

Этот заряд появляется за счет неравенства скоростей электронов и положительных ионов, попадающих на поверхность спутника, а также благодаря таким явлениям, как фотоэффект, то есть вырывание электронов с поверхности спутника светом и другими излучениями.

Использование спутников для изучения таких характеристик ионосферы, как концентрация ионов и спектр их масс, требует учета тех нарушений, которые спутник вносит в окружающую среду. Поэтому измерение электрического заряда спутника, вызывающего перераспределение заряженных частиц вблизи него, желательно также для уточнения результатов этих опытов. С другой стороны, сведения об электрическом заряде в сочетании с данными о концентрации ионов могут позволить определить в ряде случаев такую трудно измеряемую характеристику ионосферы, как ее температура.