Первые измерения земной ионосферы, выполненные с помощью крупнейшего атмосферного радара в Антарктике

На высоте от 60 до 600 миль над поверхностью Земли в ночном небе царит хаос. Этот слой атмосферы, называемый ионосферой, подвергается воздействию солнечной радиации, которая разрушает связи ионов. Остаются свободные электроны и тяжёлые ионы, постоянно сталкивающиеся друг с другом.

Ранее этот процесс измеряли с помощью метода некогерентного рассеяния радаром в Северном полушарии, где исследователи направляют радиоволны в ионосферу. Электроны в атмосфере рассеивают радиоволну «некогерентно». Характер этого рассеяния позволяет учёным получать данные о частицах, населяющих этот слой.

Теперь исследователи впервые использовали радар в Антарктике для проведения измерений в этом регионе. Их предварительные результаты были опубликованы 17 сентября 2019 года в Journal of Atmospheric and Oceanic Technology.

«Некогерентное рассеяние радаром в настоящее время является самым мощным инструментом для исследования ионосферы, поскольку он охватывает широкий высотный диапазон и наблюдает основные ионосферные параметры, такие как плотность электронов, скорость ионов, температуры ионов и электронов, а также состав ионов», — сказал Тайси Хашимото, доцент Национального института полярных исследований в Японии. Хотя эти радары мощные, они также редки из-за своих размеров и потребности в энергии.

Используя антарктический радар PANSY (Program of the Antarctic Syowa Mesosphere-Stratosphere-Troposphere/Incoherent Scatter), самый большой атмосферный радар с высоким разрешением в Антарктике, исследователи впервые провели наблюдения методом некогерентного рассеяния в Южном полушарии в 2015 году. Они также выполнили первые 24-часовые наблюдения в 2017 году. Анализируя эти данные, Хашимото и команда ожидали увидеть значительные различия между измерениями на юге и на севере, поскольку нижняя атмосфера Земли имеет сильную асимметрию между полушариями.

«Очевидно, что наблюдения в Южном полушарии имеют решающее значение для раскрытия глобальных особенностей как атмосферы, так и ионосферы», — отметил Хашимото.

Однако провести измерения не так просто. Представьте радар как камешек, скачущий по поверхности пруда. Исследователи хотят изучить, как камешек вертикально смещает воду при каждом скачке и погружении. Их не интересуют концентрические круги, создаваемые при каждом ударе, но они настолько похожи, что трудно различить, какие измерения действительно необходимы.

Эти «круги» известны как полосовые неоднородности. Команда Хашимото применила компьютерную программу, которая может распознавать разные сигналы и подавлять неоднородности, способные исказить данные.

«Наш следующий шаг — одновременное наблюдение некогерентного рассеяния в ионосфере и полосовых неоднородностей, поскольку подавление и извлечение используют один и тот же принцип с разных сторон», — сказал Хашимото. «Мы также планируем применить ту же технику для получения других типов параметров плазмы, таких как скорость дрейфа и температура ионов, что приведёт к лучшему пониманию природы полярных сияний».