28.10.2021, 10:30
Исследование демонстрирует новый метод дистанционного мониторинга плазмы в ионосфере и управления волновыми режимами таким образом, который может помочь GPS сделать лучшие расчеты в условиях экстремальной космической погоды.
Атмосфера Земли была использована в качестве «лаборатории» для проведения физического эксперимента в рамках исследования по улучшению работы GPS.
Ионосфера — верхняя часть атмосферы Земли, простирающаяся на высотах от 80 до 1000 километров от поверхности Земли, в которой ультрафиолетовое и рентгеновское солнечное излучение ионизирует атомы и молекулы, создавая слой плазмы. Впрочем, это не единственная причина возникновения плазмы — высокоэнергетические заряженные частицы и космические лучи также обладают ионизирующим эффектом и могут вносить свой вклад в плотность ионосферной плазмы.
Открытие ионосферы Земли произошло благодаря ранним наблюдениям радиоволн более века назад — было обнаружено их отражение в атмосфере. Этому факту быстро нашлось объяснение — единственной непротиворечивой версией признали отражающий атмосферный слой, состоящий из электронов и ионов. Ранние исследования были направлены на объяснение изменчивости различных слоев в ионосфере под воздействием таких факторов, как время суток, широта и сезон наблюдения.
Сегодня акцент в исследованиях ионосферы сместился в сторону динамики ионосферных явлений и изучения физики плазмы ионосферы — в частности из-за возмущений, вызванных Солнцем. Эти возмущения динамически увеличивают общее количество ионосферных электронов вследствие чего системы GPS не могут правильно смоделировать это увеличение, что приводит к ошибкам в расчетах местоположения.
Исследователи провели эксперимент с управляемыми радиолокационными волнами, подавая радиоволны в ионосферу на несколько разных частотах — исследовали возвращенный сигнал. Было обнаружено, что в плазме в ионосфере возбуждаются и смешиваются волны, что приводит к нелинейным эффектам и широкому спектру частот в возвращаемом сигнале.
Активное управление волновыми модами, возбуждаемыми в ионосфере потенциально может обеспечить улучшенную диагностику ионосферы — в частности, поможет определять температуру, плотность, характеристики магнитного поля и ионный состав. Поправки на все эти факторы способны улучшить расчет местоположения посредством GPS во время возмущений в ионосфере.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
