head

Теоретические и практические аспекты приема радиоизлучения Юпитера

1. Строение ионосферы Земли и ее основные свойства.



Ионосферой называют ионизированную область верхних слоев атмосферы Земли. Ионизация возникает главным образом под действием ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца, в результате чего образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Кроме того, в процессе ионизации учавствуют рентгеновские лучи, излучаемые солнечной короной и корпускулярные потоки Солнца. Вследствие низкой плотности атмосферы на большой высоте, ионы и свободные электроны рекомбинируют сравнительно медленно, образуется ионизированный слой газа, находящийся в состоянии динамического равновесия.
Ионосфера расположена на высотах от 60 до 1000км. Высота и плотность определяются интенсивностью УФ излучения, которое убывает по мере прохождения атмосферы, от разряженных ее слоев к более плотным. Ионосфера состоит из нескольких основных слоев, плавно переходящих один в другой.
Структура ионосферы Земли

Рис.1.

В дневные часы возникают 4-ре основных максимума ионизации:
  1. Область F2, высота 250-450км.
  2. Область F1, высота 180-200км.
  3. Область Е, высота 100-120км.
  4. Область D, высота 60-80км.

После захода Солнца прекращается ионизация атмосферы и начинается процесс рекомбинации электронов, который более активно проходит в плотных слоях атмосферы. Этим объясняется быстрое исчезновение наиболее низкого слоя D. Уменьшаются и сливаются слои F1 и F2. В ночные часы ионосфера состоит только из 2-х слоев. Слоя Е, с пониженной концентрацией свободных электронов, и слоя F2, который в ночные часы обозначается символом F без индекса. Слои F1, E и D достаточно устойчивы. По своим свойствам ионосфера эквивалентна полупроводнику. Поэтому ионосфере свойственны отражающие, преломляющие и ослабляющие свойства прохождению сквозь нее радиоволн. В международный геофизический год (1957-1959г.г.) было установлено, что при критической частоте сигнала Fкр.
Критическая частота
(1)
где N – удельная концентрация электронов в ионосфере, радиоволна перестает взаимодействовать с ионосферой. При F>Fкр. волна, пришедшая из космического пространства, преломляется и уходит к поверхности нашей планеты. При F<Fкр. волна отклоняется обратно или поглощается ионосферой. Поглощающие свойства ионосферы зависят от колебаний свободных электронов. После возбуждения волной, электрон сталкивается с нейтральной молекулой или ионом газа, он отдает полученную им энергию. Энергия радиоволны превращается в энергию движения частиц газа, т.е.в тепловую. Исходя из этих постулатов, было произведена градация на радиоволны КВ (до 30мгц) и УКВ диапазонов.
КВ диапазон используется для дальней радиосвязи между объектами, находящимися на поверхности нашей планеты, УКВ для связи с ИСЗ, локации планет, радиоастрономических наблюдений.
На Рис.1 приведена зависимость электронной концентрации слоев ионосферы от высоты и времени суток. Следует правильно понимать величину электронной концентрации N. Она приведена для уровня средней активности нашего светила.


2. Прием радиоизлучения Юпитера.

Теоретические аспекты

Радиоизлучение Юпитера было случайно открыто Б.Берком и К.Франклином в 1956г. При наблюдении Крабовидной туманности (М1) в радиодиапазоне ими был обнаружен дополнительный источник излучения, который отождествлялся с находящейся рядом планетой. Это радиоизлучение было зарегистрировано на частоте 20мгц, представляло собой источник излучения продолжительностью 0.5-2 секунды и периодом повторяемости 9ч.55мин. Дальнейшее изучение показало, что всплески радиоизлучения могут иметь длительность от нескольких минут до нескольких часов. Максимум радиоизлучения Юпитера приходится на диапазон частот 18-22мгц.
Радиоизлучение Юпитера обуславливают несколько факторов. Прежде всего, планета обладает мощным магнитным полем не правильной формы. Оно выглядит так, как будто в тело планеты вставлен не один, как у Земли, а несколько симметричных намагниченных стержней. В силу этого планета имеет несколько магнитных полюсов и взаимодействие данного сложного поля с потоком частиц, идущих от Солнца, отлично от земного. Следствием такого сложного взаимодействия является собственное радиоизлучение планеты. Вторым фактором, заставляющим Юпитер работать мощной радиостанцией, является его спутник Ио. Орбита спутника расположена в центре сложного радиационного пояса Юпитера. В результате система Юпитер + Ио работает, как природная динамомашина. Американскими АМС «Вояджер-1» и «Вояджер-2» был зарегистрирован ток в 5млн.ампер, протекающий между Юпитером и Ио. Эти сложные взаимодействия ведут к постоянному изменению частоты радиоизлучения от планеты, не позволяют точно предсказать частоты максимума юпитерианского сигнала
Теперь правильнее всего обратиться к Рис. 1. и формуле [1]. Простые вычисления дают величину Fкр близкую к 28мгц. Это говорит о том, что более низкие частоты, пришедшие из космического пространства, будут переотражены слоем F обратно, а часть их поглощена ионосферой. Этот результат абсолютно верен для моментов средней и высокой активности Солнца. В годы же минимума солнечной активности концентрация свободных электронов N в среднем уменьшается на 10³ раз. Следовательно, уменьшается значение Fкр. И становится возможным прием радиоизлучения Юпитера. Подтверждением этого правила является дата открытия излучения 1956г – минимум солнечной активности (Рис. 2).
WГрафик солнечной активности

Рис.2.

К сожалению, с момента открытия прошло более 50-ти лет. За этот период наша техногенная цивилизация шагнула далеко вперед. Появилось огромное количество мощных локационных и связных военных станций плюс TV, FM, AM станции гражданского назначения, ведущие круглосуточное вещание практически по всей поверхности нашей планеты. Взаимодействие ионосферы с радиоволнами, идущими от этих передатчиков, приводит к ее значительной дополнительной ионизации. Следствием этого является значительное ухудшение прохождения радиоволн от Юпитера. Эти причины внесли коррекцию на уменьшение плотности свободных электронов N в годы минимума солнечной активности. На данный момент можно реально говорить об уменьшении N не более 102 раз.
Кроме общего повышения ионизации слоя F ионосферы, радиовещательные станции юго-восточной Азии, работающие на частотах 15-20мгц, т.е. вблизи максимума радиоизлучения Юпитера, обуславливают повышенный уровень перекрестных помех. Эти помехи забивают полезный сигнал, в противофазе складываясь с ним, уменьшают его величину. Более того. Непосредственно вблизи максимума юпитерианского сигнала находятся два радиолюбительских участка (18-18.2мгц и 21-21.45мгц), официально выделенные Международным Союзом Радиосвязи радиолюбителям. Общее количество радиолюбительских станций в мире около 5млн. Диапазоны 18-18.2мгц и 21-21.45мгц являются одними из самых востребованных в радиолюбительском мире, т.к.на них возможны не только внутриконтинентальные, но и сверхдальние радиосвязи.
Так возможен или нет прием радиоизлучения Юпитера в любительских условиях? Однозначный ответ дать нельзя. Если ЛА обладает знаниями по радиотехнике, умеет не только теоретически рассчитывать, но и реально строить и настраивать необходимые антенны, обладает аппаратурой высоко уровня, правильно подготовится и спланирует моменты наблюдений тогда «ДА». Если же предпочесть пути, предлагаемыми в Интернете на большинстве сайтов, или предложенный И.Анкудиновым (ни чего личного) в «Небосводе» №11 за 2007г, однозначно «НЕТ».


Практические наблюдения

Тот минимум приемной аппаратуры, что необходим при желании услышать радиоголос Юпитера, я уже рассматривал в первой статье «Аппаратура для радиоастрономических наблюдений». Антенно-фидерное вооружение будет мною описано в следующей, последней, статье. Сейчас я заострю внимание на предварительной подготовке к наблюдениям и их непосредственном проведении.
Здесь я сделаю не большое отступление от темы. Дальнейший алгоритм радионаблюдений Юпитера – это собственная наработка, требующая визуального контакта с аппаратурой и не претендующая на исключительность.
Во-первых, не забудьте, что услышать Юпитер можно только в годы минимума солнечной активности. Далее. Ориентируйте максимум диаграммы направленности Вашей антенны на юг. Радионаблюдения Юпитера лучше проводить в моменты его кульминаций, т.к.реальная диаграмма направленности даже высококлассных, многоэлементных антенн КВ диапазона имеет вертикальный угол излучения (или приема, что одно и то же) относительно горизонта не менее 15-20 градусов. Зачастую эта величина находится в пределах 25-45 градусов, в зависимости от типа примененной антенны и ее высоты установки над подстилающей поверхностью.
Во-вторых, из полосы максимума радиоизлучения Юпитера (18-22мгц) следует вычесть полосы частот 18-18.2мгц и 21-21.45мгц. Это радиолюбительские участки КВ диапазона. Сигналы и помехи от радиолюбителей просто не дадут Вам услышать Юпитер на этих частотах! Затем, в течении не менее 3-х месяцев проведите сканирующее наблюдение за полосой частот 18.5-21мгц. В отдельную тетрадь запишите частоты занятые работой КВ-маяков (используются военными), вещательных станций и частоты «пораженные» модулированными помехами. Эти помехи являются внеполосными излучениями не качественных передатчиков. У вещательных станций юго-восточной Азии это очень распространенный недостаток. Вычтите эти частоты из общего промежутка, где реально можно услышать радиосигнал от Юпитера. Другими словами сократите возможную зону реального поиска. И так, например Вы определили возможную зону приема по частоте от 19.5 до 21мгц, что дальше?
По астрономическому календарю определяем время кульминации планеты и ее высоту над горизонтом. Очень важно, чтобы кульминирующий Юпитер попадал в диаграмму направленности Вашей антенны. За полтора часа до кульминации включаем аппаратуру и внимательно прослушиваем участок КВ диапазона от 17 до 22мгц.
Если будут слышны вещательные или радиолюбительские станции (последние при приеме на не спец.технику воспринимаются, как «бульканье») откладываем наблюдения до следующего раза. Действительно, если слышны станции, значит присутствует ионосферное прохождение, другими словами, ионосфера значительно ионизована и прекрасно отражает радиоволны. Это приводит к хорошему прохождению радиоволн над поверхностью Земли, но не позволяет проникнуть радиоволнам из космоса. Если Вы ни кого не услышали, тогда за час до кульминации включаем автосканирование в трансивере (приемнике) с шагом по частоте 0.1мгц (100кгц). Если автосканирование у Вашего аппарата отсутствует, перестройку по частоте придется выполнять вручную. Снимаем показания S-метра и заносим полученные данные в таблицу.
Сделаю второе отступление. S-метр – это прибор, отображающий уровень сигнала на входе приемника. Если он отсутствует отчаиваться не надо. Простой S-метр можно построить самому и подключить на выход УНЧ Вашего приемника. Схему и подключение к VERTEX VX-2R привожу на Рис. 3.
WS-метр

Рис.3.

Используя самодельный S-метр, его нужно выставить на минимальные показания, в самом тихом месте сканируемого Вами участка. После установки S-метра на минимум, все ручки управления усилением Вашего приемника и потенциометр Rрег. должны оставаться в неизменном положении.
На сколько возможно более часто сканируем выбранный участок. Спустя час после кульминации завершаем наблюдения, т.к.планета выйдет из максимума диаграммы направленности Вашей антенны. При наличии радиоизлучения от Юпитера, оно будет зафиксировано S-метром ярко выраженным максимумом в показаниях прибора. ПК значительно упрощает сканирование, делая его более комфортным. Лично я, для цифровых видов связи, использую программу MixW v.2.16. Ее функциональные возможности весьма впечатляющи и позволяют производить сканирование с регистрацией входящего уровня сигнала.
Ну и на последок, ложка дегтя….
Скажу честно, мне за 6 месяцев сканирования на трансивере IC-7000, имеющим все необходимые для данных наблюдений автоматические опции, который отличается от VERTEX VX-2R, как BMW от запорожца (VERTEX VX-2R отличается от приемника И.Анкудинова примерно так же), с антенной 3ele Yagi фирмы Cushcraft, ни разу не посчастливилось зарегистрировать радиосигнал идущий от Юпитера!
Вам же Я желаю только удачи! Ну и сам обязательно продолжу наблюдения!
Вопросы можно направлять по адресу rm4hm@rambler.ru.
ВСЕМ чистого Неба и крепкого Здоровья, Друзья! Искренне Ваш, Альфред Викторович Крохмаль.


Копия данной статьи отправлена в журнал «Небосвод». При использовании данной статьи на других сайтах или журналах, ссылка на сайт www.belastro.net и журнал «Небосвод», с указанием авторства, ОБЯЗАТЕЛЬНА.


Размещено по просьбе автора.


Обсудить эту статью можно в ЭТОЙ теме форума.
Lupus, 05.02.2008.
Хостинг предоставлен: hoster.by. Служба технической поддержки: .. Конкурс "Астротоп": http://www.astrotop.ru/