RU2660119C1

RU2660119C1 - Method for determining the atomic mass of metal ions in the sporadic layer e (es)

Info

Publication number: RU2660119C1
Application number: RU2017121453A
Authority: RU
Inventors: Наталия Владимировна Бахметьева
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2018-07-05

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: invention relates to methods for determining the composition and concentration of positive ions in the Earth's ionosphere. Method for determining the atomic mass of metal ions in a sporadic layer E (E_s) includes formation of artificial periodic inhomogeneities of ionospheric plasma, radiation in the ionosphere of probing pulses at the stage of disappearance (relaxation) of artificial periodic inhomogeneities, reception of a signal back scattered by artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma, measurement of amplitude and determination of the relaxation time of the backscattered signal as a function of the height h. By decreasing the amplitude of the backscattered signal by e times, at each height, the relaxation time of the inhomogeneities τ(h), which in absence of a sporadic layer E (E_s) is due to ambipolar diffusion with a characteristic time τ_d(h), and for existence of a sporadic layer E (E_s) – diffusion with a characteristic time τ_Es(h), and with respect to times τ_Es(h) and τ_d(h) determine the atomic mass or type of metallic ions in the sporadic E (E_s).

EFFECT: possibility of remote radiophysical determining of the atomic mass of positive metal ions prevailing in the sporadic layer E (E_s) of the ionosphere, id est determination of the type of ions that form this layer, with a significant reduction in the cost of conducting measurements compared with other methods and high accuracy in determining the height of the ion layer.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области геофизики, в частности к способам и устройствам определения состава и концентрации положительных ионов в ионосфере Земли и предназначено для дистанционного определения атомной массы положительных ионов металлов в спорадическом слое Е (Е_s), который образуется в нижней ионосфере Земли в интервале высот 90-150 км.The invention relates to the field of geophysics, in particular to methods and devices for determining the composition and concentration of positive ions in the Earth’s ionosphere and is intended for remote determination of the atomic mass of positive metal ions in the sporadic layer E (E _s ), which is formed in the Earth’s lower ionosphere in the altitude range 90 -150 km.

Изобретение может быть использовано для изучения динамических процессов, происходящих в нижней ионосфере Земли, для определения характеристик спорадических слоев ионизации, изучения их ионного состава с целью исследования взаимодействия и энергообмена между нижней и верхней ионосферой, анализа условий распространения KB и УКВ радиоволн в ионосфере, прогнозирования последствий активных экспериментов в нижней ионосфере Земли.The invention can be used to study the dynamic processes occurring in the lower ionosphere of the Earth, to determine the characteristics of sporadic layers of ionization, to study their ionic composition in order to study the interaction and energy exchange between the lower and upper ionosphere, to analyze the propagation conditions of KB and VHF radio waves in the ionosphere, and to predict the consequences active experiments in the lower ionosphere of the Earth.

Существует ряд способов идентификации металлических ионов в ионосфере Земли. Концентрации ионов могут быть измерены с помощью лидаров и радаров некорентного рассеяния (Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.), но каждый из этих методов имеет существенные ограничения в использовании на высотах нижней ионосферы, где образуются спорадические слои ионизации.There are a number of ways to identify metal ions in the Earth’s ionosphere. Ion concentrations can be measured using lidars and non-coherent scattering radars (Brunelli B.E., Namgaladze A.A. Ionosphere Physics. M .: Nauka, 1988. 528 p.), But each of these methods has significant limitations on the use of heights of the lower ionosphere, where sporadic layers of ionization are formed.

Лидар представляет собой оптический локатор для дистанционного зондирования воздушных и водных сред, активно используемый в средней атмосфере. Он состоит из источника оптического излучения, фотоприемника, системы регистрации и обработки результатов зондирования. В качестве источника оптического излучения используют лазеры. В нижней атмосфере лидары применяют для измерения ряда параметров: влажности, температуры, прозрачности, концентрации газовых и аэрозольных компонентов, скорости ветра, верхней и нижней границ облачности. На ионосферных высотах с помощью лидаров измеряют концентрации ионов и молекул. Использование лидаров ограничено светлым временем суток и высотой, как правило, не превосходящей 90-100 км.Lidar is an optical locator for remote sensing of air and water environments, actively used in the middle atmosphere. It consists of an optical radiation source, a photodetector, a system for recording and processing sounding results. Lasers are used as a source of optical radiation. In the lower atmosphere, lidars are used to measure a number of parameters: humidity, temperature, transparency, concentration of gas and aerosol components, wind speed, upper and lower clouds. At ionospheric heights, lidars measure the concentration of ions and molecules. The use of lidars is limited by daylight hours and altitude, as a rule, not exceeding 90-100 km.

Метод некогерентного рассеяния, использующий соответствующие радары, представляет собой один из наиболее информативных наземных методов исследования ионосферы. В радарах некогерентного рассеяния применяются частоты, значительно превышающие собственные частоты ионосферы. Анализ спектра сигнала, рассеянного на электронах среды, позволяет определить ионную и электронную температуру, содержание ионов, скорость ионного дрейфа, частоту соударений в нижней ионосфере. Распространение метода некогерентного рассеяния ограничено вследствие чрезвычайной сложности используемых технических средств, стоимость экспериментов сопоставима с ракетными и спутниковыми экспериментами. В мире существует всего 9 установок этот типа. Значительным недостатком метода некогерентного рассеяния является невысокое разрешение по высоте, которое составляет, как правило, 50-70 км. Кроме того, этим способом определяется концентрация ионов, в основном состоящих из кислорода, азота, окиси азота, а также ионов гелия и водорода во внешней ионосфере (выше 600 км), там, где спорадические слои ионизации не образуются.The incoherent scattering method, using appropriate radars, is one of the most informative ground-based methods for studying the ionosphere. In incoherent scattering radars, frequencies that are significantly higher than the eigenfrequencies of the ionosphere are used. An analysis of the spectrum of the signal scattered by the electrons of the medium allows one to determine the ionic and electronic temperature, ion content, ion drift velocity, and collision frequency in the lower ionosphere. The spread of the incoherent scattering method is limited due to the extreme complexity of the technical means used, the cost of the experiments is comparable to rocket and satellite experiments. In the world there are only 9 installations of this type. A significant drawback of the incoherent scattering method is the low resolution in height, which is usually 50-70 km. In addition, this method determines the concentration of ions, mainly consisting of oxygen, nitrogen, nitric oxide, as well as helium and hydrogen ions in the outer ionosphere (above 600 km), where sporadic layers of ionization are not formed.

Несмотря на эффективность описанных выше методов, большинство известных способов определения ионного состава нижней и верхней атмосферы, включая спорадические слои ионизации, называемые спорадическими слоями Е или E_s, основаны на размещении измерительных инструментов на борту геофизической ракеты. Спорадический слой Е (E_s) представляет собой тонкий толщиной до 3 км слой с повышенными значениями концентрации электронов по отношению к фоновым значениям концентрации области Е. В этом слое среди ионов преобладают положительные ионы металлов (Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.). Для измерения массы иона или распределения разных ионов по массам, то есть ионного состава, используются масс-спектрометры, работа которых основана на зависимости гирорадиуса частицы от массы.Despite the effectiveness of the methods described above, most of the known methods for determining the ionic composition of the lower and upper atmosphere, including sporadic layers of ionization, called sporadic layers E or E _s , are based on the placement of measuring instruments on board a geophysical rocket. The sporadic layer E (E _s ) is a thin layer up to 3 km thick with increased values of electron concentration relative to the background values of the concentration of region E. In this layer, positive metal ions prevail among the ions (Brunelli B.E., Namgaladze A.A. Ionosphere Physics), Moscow: Nauka, 1988.528 s.). To measure the mass of the ion or the distribution of different ions by mass, that is, the ion composition, mass spectrometers are used, the operation of which is based on the dependence of the gyroradius of the particle on mass.

Известными измерительными инструментами, располагаемыми на космических аппаратах, являются следующие устройства.Known measuring instruments located on spacecraft are the following devices.

Устройство для измерения скорости образования положительных ионов в ионосфере с использованием масс-спектрометра (US 3299266), в котором для измерения скорости образования положительных ионов используется радиочастотный ионный масс-спектрометр, адаптированный к анализу ионного состава, на входе которого установлены три коаксиально расположенных цилиндрических электрода, одинаково отстоящие друг от друга, выполненные, например, из проволочной сетки. При этом первый электрод имеет отрицательный потенциал, второй электрод заземлен, третий электрод находится под положительном потенциалом. На электроды подается переменное напряжение. Его частота определяет время, за которое ион определенной массы успевает пролететь расстояние между сетками. Ион, имеющий другую массу, в том же поле приобретает другую скорость и может быть отсеян дополнительной сеткой. Для проведении измерений трехэлектродный конец узла снабжен отверстием для поступления окружающего воздуха. Внутренний и внешний электроды соответственно предотвращают попадание в объем нежелательных отрицательных и положительных частиц путем подбора потенциалов, прикладываемых к электродам.A device for measuring the rate of formation of positive ions in the ionosphere using a mass spectrometer (US 3299266), which uses a radio frequency ion mass spectrometer adapted to analyze the ion composition to measure the rate of formation of positive ions, the input of which has three coaxially arranged cylindrical electrodes, equally spaced from each other, made, for example, of wire mesh. In this case, the first electrode has a negative potential, the second electrode is grounded, the third electrode is at a positive potential. An alternating voltage is applied to the electrodes. Its frequency determines the time during which an ion of a certain mass manages to fly the distance between the grids. An ion having a different mass acquires a different velocity in the same field and can be eliminated by an additional grid. For measurements, the three-electrode end of the assembly is provided with an opening for the intake of ambient air. The inner and outer electrodes respectively prevent unwanted negative and positive particles from entering the volume by selecting potentials applied to the electrodes.

Известно устройство для измерения состава потока ионов и нейтральных частиц (US 8525110), включающее спектрометры, принимающие ионы и нейтральные частицы, где каждый из спектрометров включает катод, преобразующий незаряженную частицу в ионизированную частицу, которая далее отклоняется с помощью электрического поля, созданного двумя анализаторами, которые выполнены с возможностью отклонения ионов через выходные отверстия каждого из спектрометров. Траектории частиц расходятся в соответствии с их радиусами кривизны, пропорциональными массам частиц. Устройство обеспечивает четыре одновременных измерения параметров ионов и нейтральных частиц как функции высоты с переменной чувствительностью для разных видов нейтральных частиц. Переменная чувствительность позволяет расширить измерения по высоте от 100 до 700 км более. В устройство включены четыре инструмента: спектрометр температуры потока нейтральных частиц, спектрометр ионной температуры и ионного дрейфа, масс-спектрометр нейтральной частицы и ионный масс-спектрометр. Спектрометр температуры потока нейтральной частицы и спектрометр ионной температуры и дрейфа иона предназначен, чтобы отделить О и N₂ и O⁺ от Н⁺, в то время как масс-спектрометр нейтральной частицы и ионный масс-спектрометр предназначен, чтобы разделять массы ионов с разрешением 1/64 аем (атомных единиц массы), что позволяет идентифицировать металлические ионы в нижней термосфере.A device for measuring the composition of the flow of ions and neutral particles (US 8525110), including spectrometers receiving ions and neutral particles, where each of the spectrometers includes a cathode that converts an uncharged particle into an ionized particle, which is further deflected by an electric field created by two analyzers, which are configured to deflect ions through the outlet openings of each of the spectrometers. Particle trajectories diverge in accordance with their radii of curvature proportional to the masses of the particles. The device provides four simultaneous measurements of the parameters of ions and neutral particles as a function of height with variable sensitivity for different types of neutral particles. Variable sensitivity allows you to expand measurements in height from 100 to 700 km more. Four instruments are included in the device: a neutral particle flow temperature spectrometer, an ion temperature and ion drift spectrometer, a neutral particle mass spectrometer, and an ion mass spectrometer. A neutral particle flow temperature spectrometer and an ion temperature and ion drift spectrometer are designed to separate O and N ₂ and O ⁺ from H ⁺ , while a neutral particle mass spectrometer and an ion mass spectrometer are designed to separate ion masses with a resolution of 1 / 64 ame (atomic mass units), which allows the identification of metallic ions in the lower thermosphere.

Для проведения измерений масс-спектрометры необходимо устанавливать на космических аппаратах, например, в носовой части ракеты (Stein Weg A., Krankowsky D.,

P., Anweiler B. Metal ion layers in the auroral lower E-region measured by mass spectrometers // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. 1992. V. 54. No 6. P. 703-714). Хорошо известно, что запуск космических аппаратов возможен только с оборудованных полигонов и является крайне дорогостоящим и эпизодическим событием, что не позволяет проводить мониторинг ионосферы и, в том числе, ионного состава, который может меняться в результате солнечных и ионосферных возмущений.For measurements, mass spectrometers must be installed on spacecraft, for example, in the bow of a rocket (Stein Weg A., Krankowsky D.,

P., Anweiler B. Metal ion layers in the auroral lower E-region measured by mass spectrometers // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. 1992. V. 54.No 6. P. 703-714). It is well known that the launch of spacecraft is possible only from equipped polygons and is an extremely expensive and episodic event, which does not allow monitoring of the ionosphere, including the ion composition, which can change as a result of solar and ionospheric disturbances.

Техническим результатом изобретения является применение дистанционного радиофизического метода определения атомной массы положительных ионов металлов, преобладающих в спорадическом слое Е (E_s) ионосферы, то есть определение типа ионов, образующих этот слой, при значительном снижении затрат на проведение измерений по сравнению с другими методами и высокой точностью определения высоты слоя ионов.The technical result of the invention is the use of a remote radiophysical method for determining the atomic mass of positive metal ions prevailing in the sporadic layer E (E _s ) of the ionosphere, that is, determining the type of ions forming this layer, with a significant reduction in measurement costs compared to other methods and high accuracy of determining the height of the ion layer.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый способ определения атомной массы положительных ионов, то есть типа ионов, преобладающих в спорадическом слое Е ионосферы, включает формирование искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте, выше критической частоты для E-слоя и ниже критической частоты для F-слоя, излучение в ионосферу зондирующих радиоимпульсов по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поляризацией, прием сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, измерение амплитуды сигнала, рассеянного сформированными возмущающим радиоизлучением периодическими неоднородностями на исследуемой высоте h в интервале высот 60-150 км, определение высотной зависимости времени релаксации обратно рассеянного сигнала. Время релаксации неоднородностей τ(h) на каждой высоте h определяют по уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в e раз. Время релаксации неоднородностей τ(h), которое в отсутствие спорадических слоев ионизации - спорадических слоев Е (E_s) - обусловлено амбиполярной диффузией с характерным диффузионным временем релаксации τ_d(h), прямо пропорциональным массе ионов (Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Толмачева А.В., Бахметьева Н.В. Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей. - Нижний Новгород. ИПФ РАН. 1999. 155 с.)The technical result is achieved by the fact that the proposed method for determining the atomic mass of positive ions, that is, the type of ions prevailing in the sporadic layer E of the ionosphere, involves the formation of artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma by exposing the ionosphere to disturbing radio emission at a frequency higher than the critical frequency for the E layer and below the critical frequency for the F layer, the radiation of probing radio pulses into the ionosphere at the end of the perturbation at the same frequency and with the same polarization, receiving a signal backscattered by artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma, measuring the amplitude of the signal scattered by the periodic inhomogeneities generated by the perturbing radio emission at a height of 60 h in the altitude range of 60-150 km, determining the altitude dependence of the relaxation time of the backscattered signal. The relaxation time of inhomogeneities τ (h) at each height h is determined by a decrease in the amplitude of the backscattered signal by e times. The inhomogeneity relaxation time τ (h), which in the absence of sporadic ionization layers - sporadic layers E (E _s ) - is due to ambipolar diffusion with a characteristic diffusion relaxation time τ _d (h) directly proportional to the ion mass (Belikovich V.V., Benediktov E .A., Tolmacheva A.V., Bakhmeteva N.V. Study of the ionosphere using artificial periodic inhomogeneities. - Nizhny Novgorod. IAP RAS. 1999. 155 p.)

На тех высотах, где образуется спорадический слой Е (E_s), время релаксации τ_Esвозрастает по сравнению с диффузионным временем τ_d вследствие того, что слой E_s содержит положительные металлические ионы, при этом атомная масса некоторых ионов значительно превышает атомную массу обычных атмосферных ионов О₂ ⁺ и NO⁺, которые преобладают в составе ионосферы на указанных высотах в обычных условиях (Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.).At heights where a sporadic layer E (E _s ) is formed, the relaxation time τ _Es increases compared to the diffusion time τ _d due to the fact that the layer E _s contains positive metal ions, while the atomic mass of some ions significantly exceeds the atomic mass of ordinary atmospheric ions of O ₂ ⁺ and NO ⁺ , which prevail in the ionosphere at the indicated heights under normal conditions (Brunelli B.E., Namgaladze A.A. Ionosphere Physics. M: Nauka, 1988. 528 p.).

По величине отношения найденного времени релаксации обратно рассеянного сигнала в слое E_s - τ_Es, которое превышает диффузионное время релаксации τ_E фоновой E-области и τ_E=τ_d, определяют атомную массу положительных ионов металлов, преобладающих в спорадическом слое Е (E_s) ионосферы.From the ratio of the found relaxation time of the backscattered signal in the layer E _s - τ _Es , which exceeds the diffusion relaxation time τ _{E of the} background E region and τ _E = τ _d , the atomic mass of positive metal ions prevailing in the sporadic layer E (E _s ) ionosphere.

Способ может быть реализован с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг. 1.The method can be implemented using a device, a block diagram of which is shown in FIG. one.

Устройство, реализующее способ определения атомной массы ионов металлов, содержит задающий генератор 1 для формирования непрерывного синусоидального сигнала, передатчик 2 с антенной 3 для излучения в зенит возмущающего ионосферу радиоизлучения с созданием искусственных периодических неоднородностей, передатчик 4 с антенной 5 для излучения в зенит радиоимпульсов, зондирующих периодические неоднородности, приемник 6 с антенной 7 для приема обратно рассеянных периодическими неоднородностями сигналов, регистратор 8 для измерения амплитуды обратно рассеянного сигнала с ПК для обработки и хранения первичной информации и синхронизатор 9 с ПК для обеспечения временных режимов работы передатчиков 2 и 4 и для управления регистратором 8.A device that implements a method for determining the atomic mass of metal ions contains a master oscillator 1 for generating a continuous sinusoidal signal, a transmitter 2 with an antenna 3 for radiating into the zenith of a disturbing ionosphere of radio emission with the creation of artificial periodic inhomogeneities, a transmitter 4 with an antenna 5 for radiating at the zenith of a radio pulse probing periodic inhomogeneities, a receiver 6 with an antenna 7 for receiving backscattered periodic inhomogeneities of signals, a recorder 8 for measuring amplitudes s back-scattered signal from a PC for processing and storage of primary information and a synchronizer 9 with a PC to provide temporary operation modes of transmitters 2 and 4 and to control the recorder 8.

Способ определения атомной массы положительных ионов металлов осуществляется следующим образом.The method for determining the atomic mass of positive metal ions is as follows.

Воздействуют на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте выше критической частоты E-слоя и ниже критической частоты F-слоя ионосферы, формируя тем самым в ионосфере периодические искусственные неоднородности ионосферной плазмы от основания ионосферы до высоты максимума F-слоя. Для этого формируют с помощью задающего генератора 1 непрерывный синусоидальный сигнал на возмущающей частоте ƒ в диапазоне частот ƒ₁-ƒ₂ (где ƒ₁ и ƒ₂ - критические частоты Е- и F-слоя ионосферы соответственно), поступающий на передатчик 2.They act on the ionosphere by disturbing radio emission at a frequency above the critical frequency of the E layer and below the critical frequency of the F layer of the ionosphere, thereby forming periodic artificial inhomogeneities of the ionospheric plasma in the ionosphere from the base of the ionosphere to the height of the maximum of the F layer. To do this, using a master oscillator 1, a continuous sinusoidal signal is generated at a disturbing frequency ƒ in the frequency range ƒ _{1 -} ƒ ₂ (where ƒ ₁ and ƒ ₂ are the critical frequencies of the E and F ionosphere layers, respectively), which arrives at transmitter 2.

С помощью управляемого синхронизатором 9 передатчика 2 с антенной 3 излучают в зенит возмущающее радиоизлучение. Поскольку частота ƒ возмущающего радиоизлучения ниже критической F-слоя ионосферы ƒ₁, направленное в зенит радиоизлучение частотой ƒ отражается от ионосферы.Using the transmitter 2 controlled by the synchronizer 9 with the antenna 3, disturbing radio emission is emitted to the zenith. Since the frequency ƒ of the disturbing radio emission is lower than the critical F-layer of the ionosphere ƒ ₁ , the radio frequency directed to the zenith of the frequency ƒ is reflected from the ionosphere.

После окончания воздействия на ионосферу возмущающего радиоизлучения, т.е. после выключения передатчика 2, излучают в зенит на той же частоте ƒ и с поляризацией, соответствующей поляризации возмущающего радиоизлучения, последовательность зондирующих радиоимпульсов.After the end of the impact on the ionosphere of disturbing radio emission, i.e. after turning off the transmitter 2, a sequence of probing radio pulses is emitted into the zenith at the same frequency ƒ and with a polarization corresponding to the polarization of the disturbing radio emission.

Для этого формируют с помощью синхронизатора 9 последовательность импульсов для управления передатчиком 4 и излучают в зенит на частоте ƒ с помощью передатчика 4 с антенной 5 радиоимпульсы, сформированные с помощью задающего генератора 1 и синхронизатора 9. В качестве передатчика 4 может быть использован передатчик 2, переводимый в импульсный режим.To do this, a sequence of pulses is formed using a synchronizer 9 to control the transmitter 4 and radiated to the zenith at a frequency ƒ using a transmitter 4 with an antenna 5 radio pulses generated using a master oscillator 1 and a synchronizer 9. As a transmitter 4 can be used transmitter 2 translated in pulse mode.

Принимают с помощью приемника 6 с антенной 7 зондирующие радиоимпульсы, обратно рассеянные искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, сформированными возмущающим радиоизлучением, которые после выключения передатчика 2 существуют в ионосфере в зависимости от частоты возмущающего радиоизлучения в течение нескольких секунд, постепенно разрушаясь (релаксируя). Поскольку частота и поляризация зондирующего радиоимпульса совпадают с частотой и поляризацией возмущающего радиоизлучения, то каждый зондирующий радиоимпульс рассеивается во всем интервале высот от нижней границы ионосферы до высоты его отражения в F-слое. При равенстве частот и поляризаций возмущающего и зондирующего радиоизлучений рассеяние от периодических неоднородностей имеет резонансный характер, то есть сигналы рассеиваются всеми неоднородностями синфазно, что увеличивает амплитуду рассеянного сигнала.With the aid of receiver 6 with antenna 7, sounding radio pulses are received that are backscattered by artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma formed by disturbing radio emission, which, after the transmitter 2 is turned off, exist in the ionosphere depending on the frequency of the disturbing radio emission for several seconds, gradually collapsing (relaxing). Since the frequency and polarization of the probe radio pulse coincide with the frequency and polarization of the disturbing radio emission, each probe radio pulse is scattered over the entire height range from the lower boundary of the ionosphere to the height of its reflection in the F layer. If the frequencies and polarizations of the disturbing and probing radio emissions are equal, the scattering from periodic inhomogeneities is resonant in nature, that is, the signals are scattered by all the inhomogeneities in phase, which increases the amplitude of the scattered signal.

При приеме с помощью регистратора 8 измеряют высотную зависимость A(h) амплитуды сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями. Для этого с помощью синхронизатора 9 формируют последовательность стробирующих импульсов для управления регистратором 8. С помощью регистратора 8 измеряют в моменты поступления стробирующего импульса амплитуду обратно рассеянного сигнала, соответствующего высоте h. Задержка стробирующего импульса относительно момента излучения зондирующего импульса определяет высоту h. В процессе зондирования интенсивность искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы уменьшается, так как после окончания действия возмущающего излучения они разрушаются (релаксируют), при этом уменьшается и амплитуда сигнала, обратно рассеянного периодическими неоднородностями.When receiving using the recorder 8 measure the height dependence A (h) of the amplitude of the signal backscattered by artificial periodic inhomogeneities. To do this, using a synchronizer 9, a sequence of strobe pulses is formed to control the recorder 8. Using the recorder 8, the amplitude of the backscattered signal corresponding to the height h is measured at the moments of arrival of the strobe pulse. The delay of the gating pulse relative to the moment of radiation of the probe pulse determines the height h. In the process of probing, the intensity of artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma decreases, since after the end of the disturbing radiation they are destroyed (relax), and the amplitude of the signal backscattered by periodic inhomogeneities also decreases.

По высотному профилю амплитуды обратно рассеянного сигнала на каждой высоте определяют время релаксации искусственных периодических неоднородностей по уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в e раз. Определяют атомную массу положительных ионов металлов по величине отношения измеренного времени релаксации сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями в слое E_s - τ_Es и фоновой E-области - τ_E=τ_d, так как в спорадическом слое Е (Е_s) время релаксации рассеянного сигнала возрастает по отношению к его значению в фоновой E-области.The height profile of the amplitude of the backscattered signal at each height determines the relaxation time of the artificial periodic inhomogeneities by reducing the amplitude of the backscattered signal by e times. The atomic mass of positive metal ions is determined from the ratio of the measured relaxation time of the signal backscattered by artificial periodic inhomogeneities in the layer E _s - τ _Es and the background E-region - τ _E = τ _d , since the relaxation time in the sporadic layer E (E _s ) the scattered signal increases with respect to its value in the background E-region.

Физическая основа предлагаемого способа состоит в следующем.The physical basis of the proposed method is as follows.

Способ определения атомной массы металлических ионов основан на формировании искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте выше критической частоты для E-слоя и ниже критической частоты F-слоя, в результате чего возмущающее радиоизлучение отражается от ионосферы. Вследствие интерференции падающей на ионосферу и отраженной от нее радиоволн во всем пространстве между поверхностью Земли и высотой отражения возмущающего радиоизлучения формируется стоячая радиоволна, возмущающая ионосферную плазму. В периодическом поле мощной стоячей радиоволны происходит неравномерный по высоте нагрев электронной компоненты ионосферной плазмы и ее вытеснение из более нагретых областей в менее нагретые, за счет чего формируются периодические искусственные неоднородности ионосферной плазмы с пониженной концентрацией электронов в пучностях поля стоячей волны и с периодом по высоте L=0,5λ-0,5c/ƒn, где с - скорость света в вакууме, ƒ - частота возмущающего радиоизлучения, n - показатель преломления возмущающей радиоволны в ионосфере, зависящий от концентрации электронов. Искусственные периодические неоднородности образуются во всем интервале высот от нижней границы ионосферы до высоты максимума F-слоя. По окончании воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением сформированные искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы начинают разрушаться (релаксировать). Зондирующий радиоимпульс излучают по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поляризацией, что и возмущающее радиоизлучение, и в это время происходит его рассеяние на релаксирующей периодической структуре на всем интервале высот образования искусственных периодических неоднородностей. Принимая обратно рассеянный сигнал, измеряют амплитуду сигнала, рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, сформированными возмущающим радиоизлучением, на исследуемой высоте h. С течением времени амплитуда рассеянного сигнала уменьшается. На высоте спорадического слоя Е амплитуда сигнала, напротив, возрастает. Время релаксации (разрушения) искусственных периодических неоднородностей, равное времени релаксации обратно рассеянного сигнала τ(h), определяют по уменьшению амплитуды рассеянного сигнала в e раз. На высотах мезосферы и нижней термосферы в диапазоне высот 80-130 км релаксация искусственных периодических неоднородностей в отсутствие турбулентных движений (нейтральной атмосферной турбулентности) происходит под влиянием амбиполярной диффузии, и диффузионное время релаксации выражается формулойThe method for determining the atomic mass of metal ions is based on the formation of artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma by exposing the ionosphere to disturbing radio emission at a frequency above the critical frequency for the E layer and below the critical frequency of the F layer, as a result of which the disturbing radio emission is reflected from the ionosphere. Due to the interference of radio waves incident on the ionosphere and reflected from it in the entire space between the Earth’s surface and the reflection height of the disturbing radio emission, a standing radio wave is formed that disturb the ionospheric plasma. In the periodic field of a powerful standing radio wave, the electronic component of the ionospheric plasma is heated unevenly in height and is displaced from the warmer regions to less heated ones, due to which periodic artificial inhomogeneities of the ionospheric plasma are formed with a low electron concentration in the antinodes of the standing wave field and with a period of height L = 0.5λ-0.5c / ƒn, where c is the speed of light in vacuum, ƒ is the frequency of the disturbing radio emission, n is the refractive index of the disturbing radio wave in the ionosphere, depending on the concentration the electron emission. Artificial periodic inhomogeneities are formed in the entire range of heights from the lower boundary of the ionosphere to the height of the maximum of the F layer. Upon termination of the impact on the ionosphere by disturbing radio emission, the formed artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma begin to collapse (relax). The sounding radio pulse is emitted at the end of the disturbing action at the same frequency and with the same polarization as the disturbing radio emission, and at this time it is scattered by a relaxing periodic structure over the entire range of heights of formation of artificial periodic inhomogeneities. Taking back the scattered signal, measure the amplitude of the signal scattered by artificial periodic inhomogeneities formed by disturbing radio emission at the height h studied. Over time, the amplitude of the scattered signal decreases. At the height of the sporadic layer E, the signal amplitude, on the contrary, increases. The relaxation (destruction) time of artificial periodic inhomogeneities, equal to the relaxation time of the backscattered signal τ (h), is determined by reducing the amplitude of the scattered signal by e times. At heights of the mesosphere and lower thermosphere in the altitude range of 80-130 km, the relaxation of artificial periodic inhomogeneities in the absence of turbulent motions (neutral atmospheric turbulence) occurs under the influence of ambipolar diffusion, and the diffusion relaxation time is expressed by the formula

где κ - постоянная Больцмана, М_i - средняя молекулярная масса ионов воздуха, ν_im - частота соударений ионов с молекулами, Т_е и Т_i - невозмущенные температуры электронов и ионов, равные на указанных высотах температуре молекул Т, коэффициент K=4π/λ, λ=c/ƒn - длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме, с - скорость света в вакууме, ƒ - частота возмущающего радиоизлучения, n - показатель преломления возмущающей радиоволны в ионосфере. В отсутствие спорадических слоев ионизации измеренное время релаксации неоднородностей (рассеянного сигнала) τ равно диффузионному времени τ_d: τ=τ_d. В этом случае средняя молекулярная масса ионов M_i на указанных высотах близка к средней молекулярной массе молекул воздуха, равной в указанном интервале высот М_i=29 аем (атомных единиц массы). На средних широтах спорадический слой Е образуется в результате движения положительных ионов металлов в магнитном поле Земли под действием неоднородного по высоте горизонтального ветра (Whitehead J.D. Recent work on mid-latitude and equatorial sporadic-E // JATP. 1989. V. 51. No 5. P. 401-424; Гершман Б.Н., Игнатьев Ю.А., Каменецкая Г.Х. Механизмы образования ионосферного спорадического слоя на различных широтах. - М.: Наука, 1976. - 108 с., Mathews J.D. Sporadic Е: current views and recent progress // JASTP. 1998. V. 60. N 4. P. 413-435.). В результате ракетных экспериментов на высотах нижней ионосферы (60-150 км) обнаружены положительные ионы металлов, предположительно, метеорного происхождения, а именно ионы натрия, магния, алюминия, калия, кальция, железа, никеля, кремния (Istomin V.G. Ions of extra-terrestrial origin in the earth's ionosphere // Space Res. 1963. No 3, P. 209; Narcisi R.S., Bailey A.D., Wlodyka L.E., Philbrick C.R. Ion composition measurements in the lower ionosphere during the November 1966 and March 1970 solar eclipse // JASTP. 1972. V. 34. P. 647-658; Grebovsky J.M., Goldberg R.A., Pesnell W.D. Do meteor showers significantly perturb the ionosphere? // JASTP. 1998. V. 60. P. 607-615; Kopp E. On the abundance of metal ions in the lower ionosphere, J. Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 9667-9674. doi:10.1029/97JA00384). Хотя кремний и не является металлом, при образовании слоя Е_s он проявляет металлические свойства. Эти ионы металлов имеют следующие атомные массы (округлены до целых значений аем - атомных единиц массы): [Na⁺]=23, [Mg⁺]=24, [Al⁺]=27, [Si⁺]=28, [K⁺]=39, [Са⁺]=40, [Fe⁺]=56, [Ni⁺]=59. Ракетные измерения показали, что концентрация сравнительно тяжелых ионов Са⁺ и Fe⁺ в слое E_s может достигать 80% и более от всей массы положительных ионов. В случае нахождения на исследуемых высотах тяжелых ионов время релаксации сигнала, рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, возрастает, так как согласно формуле (1) оно прямо пропорционально массе ионов. Отношение времен релаксации на высоте спорадического слоя Е (E_s) и фоновой E-области имеет видwhere κ is the Boltzmann constant, M _i is the average molecular mass of air ions, ν _im is the frequency of collisions of ions with molecules, T _e and T _i are the unperturbed temperatures of electrons and ions equal to the temperature of molecules T at the indicated heights, coefficient K = 4π / λ , λ = c / ƒn is the wavelength of the disturbing radio emission in the ionospheric plasma, s is the speed of light in vacuum, ƒ is the frequency of the disturbing radio emission, n is the refractive index of the disturbing radio wave in the ionosphere. In the absence of sporadic ionization layers, the measured relaxation time of inhomogeneities (scattered signal) τ is equal to the diffusion time τ _d : τ = τ _d . In this case, the average molecular mass of ions M _i at the indicated heights is close to the average molecular mass of air molecules equal in the indicated range of heights M _i = 29 am (atomic mass units). At mid-latitudes, the sporadic layer E is formed as a result of the movement of positive metal ions in the Earth’s magnetic field under the influence of a horizontal wind inhomogeneous in height (Whitehead JD Recent work on mid-latitude and equatorial sporadic-E // JATP. 1989.V. 51. No. 5 P. 401-424; Gershman B.N., Ignatiev Yu.A., Kamenetskaya G.Kh. Mechanisms of formation of the ionospheric sporadic layer at various latitudes. - M.: Nauka, 1976. - 108 p., Mathews JD Sporadic E : current views and recent progress // JASTP. 1998. V. 60. N 4. P. 413-435.). As a result of rocket experiments at the heights of the lower ionosphere (60-150 km), positive metal ions of presumably meteor origin were discovered, namely sodium, magnesium, aluminum, potassium, calcium, iron, nickel, silicon ions (Istomin VG Ions of extra-terrestrial origin in the earth's ionosphere // Space Res. 1963. No. 3, P. 209; Narcisi RS, Bailey AD, Wlodyka LE, Philbrick CR Ion composition measurements in the lower ionosphere during the November 1966 and March 1970 solar eclipse // JASTP. 1972. V. 34. P. 647-658; Grebovsky JM, Goldberg RA, Pesnell WD Do meteor showers significantly perturb the ionosphere? // JASTP. 1998. V. 60. P. 607-615; Kopp E. On the abundance of metal ions in the lower ionosphere, J. Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 9667-9674. doi: 10.1029 / 97JA00384). Although silicon is not a metal, it exhibits metallic properties when the E _s layer is formed. These metal ions have the following atomic masses (rounded to the nearest integer atomic mass units): [Na ⁺ ] = 23, [Mg ⁺ ] = 24, [Al ⁺ ] = 27, [Si ⁺ ] = 28, [K ⁺ ] = 39, [Ca ⁺ ] = 40, [Fe ⁺ ] = 56, [Ni ⁺ ] = 59. Missile measurements showed that the concentration of relatively heavy Ca ⁺ and Fe ⁺ ions in the E _s layer can reach 80% or more of the total mass of positive ions. If heavy ions are located at the studied heights, the relaxation time of the signal scattered by artificial periodic inhomogeneities increases, since according to formula (1) it is directly proportional to the mass of ions. The ratio of relaxation times at the height of the sporadic layer E (E _s ) and the background E region has the form

В (2) символами М_м и

обозначены атомная масса металлических ионов и частота их соударений с нейтральными молекулами, а символами М_А и

- средняя масса обычных атмосферных ионов и частота их соударений с нейтральными молекулами, n_Е и

- показатели преломления возмущающей и равной ей по частоте зондирующей радиоволн в спорадическом слое Е (E_s) и фоновой Е-области. Масса усредненного атмосферного иона принимается равной М_А=29 аем.In (2) the symbols M _m and

the atomic mass of metal ions and the frequency of their collisions with neutral molecules are indicated, and the symbols M _A and

- the average mass of ordinary atmospheric ions and the frequency of their collisions with neutral molecules, n _E and

- the refractive indices of the disturbing and equal in frequency to the probing radio waves in the sporadic layer E (E _s ) and the background E-region. The mass of the averaged atmospheric ion is taken equal to M _A = 29 am.

Частоту соударений ионов с молекулами ν_im можно определить по измерениям с помощью радара некогерентного рассеяния (Fla T.S., Kirkwood S., Schlegel K. Collisional frequency in the high-latitude E-region with EISCAT // Radio Sci. 1985. V. 20. P. 785-793), однако чаще всего для расчета ν_im используется формула, приведенная в книге (Banks, D.F. and Kockarts, G. Aeronomy. Part A, Academic Press inc., New York, NY, 1973), полученная на основе большого числа лабораторных измерений. При расчете ν_im требуемые концентрации нейтральных частиц на высотах области Е задаются согласно разработанной и широко используемой модели атмосферы MSIS-E-90 (http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo/msis_vitmo.html).The frequency of collisions of ions with ν _im molecules can be determined from measurements using an incoherent scattering radar (Fla TS, Kirkwood S., Schlegel K. Collisional frequency in the high latitude E-region with EISCAT // Radio Sci. 1985. V. 20. P. 785-793), but more often for calculating ν _im uses the formula given in the book (Banks, DF and Kockarts, G. Aeronomy. Part a, Academic Press inc., New York, NY, 1973), obtained on the basis of a large number of laboratory measurements. When calculating ν _{im, the} required concentrations of neutral particles at the heights of region E are set according to the developed and widely used atmosphere model MSIS-E-90 (http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo/msis_vitmo.html).

Показатели преломления n_Е и

фоновой F-области и спорадического слоя Е (E_s) в том же самом эксперименте измеряют с помощью метода, основанного на создании искусственных периодических неоднородностей на двух частотах (Беликович В.В., Н.В. Бахметьева, Е.Е. Калинина, А.В. Толмачева. Новый способ определения электронной концентрации в Е-области ионосферы по временам релаксации искусственных периодических неоднородностей // Известия вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49. №. 9. С. 744-750). Другим методом определения показателя преломления является его расчет на основе высотного профиля концентрации электронов, определяемого по ионограммам вертикального зондирования (Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. - М.: Физматгиз, 1960. 552 с.), которые всегда регистрируются ионозондом в период наблюдений.Refractive indices n _E and

the background F region and the sporadic layer E (E _s ) in the same experiment are measured using a method based on the creation of artificial periodic inhomogeneities at two frequencies (Belikovich V.V., N.V. Bakhmeteva, E.E. Kalinina, A.V. Tolmacheva, A New Method for Determining the Electronic Concentration in the E-Region of the Ionosphere by the Relaxation Times of Artificial Periodic Inhomogeneities // University Proceedings. Radio Physics. 2006. V. 49. No. 9. P. 744-750). Another method for determining the refractive index is to calculate it based on the altitude profile of electron concentration, determined by vertical sounding ionograms (Ginzburg VL, Propagation of electromagnetic waves in a plasma. - M .: Fizmatgiz, 1960. 552 p.), Which are always recorded by an ionoprobe in observation period.

Таким образом, измеряя время релаксации рассеянного сигнала τ_Es в спорадическом слое Е и диффузионное время релаксации рассеянного сигнала в фоновой E-области τ_E, рассчитывая значение частоты ионно-молекулярных соударений ν_im согласно (Banks D.F. and Kockarts G. Aeronomy. Part A, Academic Press inc., New York, NY, 1973.), измеряя и задавая величины показателей преломления n_Е и

, определяем атомную массу положительных ионов металлов М_М по формулеThus, by measuring the relaxation time of the scattered signal τ _Es in the sporadic layer E and the diffusion relaxation time of the scattered signal in the background E region τ _E , calculating the frequency of ion-molecular collisions ν _im according to (Banks DF and Kockarts G. Aeronomy. Part A, Academic Press inc., New York, NY, 1973.) by measuring and specifying refractive indices n _E and

, we determine the atomic mass of positive metal ions M _M according to the formula

Из формул (1) - (3) следует, что наибольшее изменение времени релаксации рассеянного сигнала τ должно вызывать содержание в слое ионов металлов с атомной массой, превышающей среднюю атомную массу воздуха, то есть тяжелых ионов Са⁺ (М_М=40), Fe⁺ (56), Ni⁺ (59). Однако учет частоты соударений металлических ионов с нейтральными молекулами, которая отличается от частоты соударений с молекулами основных атмосферных ионов О₂ ⁺ и NO⁺, показывает, что определенное влияние на время релаксации рассеянного сигнала могут оказывать и более легкие по сравнению с молекулярными атомарные ионы Na⁺ (М_М=22), Mg⁺ (24), Al⁺ (27) и Si⁺ (28), но влияние этих ионов по сравнению с тяжелыми ионами железа и кальция оказывается существенно меньшим.From formulas (1) - (3) it follows that the largest change in the relaxation time of the scattered signal τ should cause the content in the layer of metal ions with an atomic mass exceeding the average atomic mass of air, that is, heavy ions Ca ⁺ (M _M = 40), Fe ⁺ (56), Ni ⁺ (59). However, taking into account the frequency of collisions of metal ions with neutral molecules, which differs from the frequency of collisions with molecules of the main atmospheric ions O ₂ ⁺ and NO ⁺ , shows that lighter atomic ions Na ⁺ can have a certain effect on the relaxation time of the scattered signal (M _M = 22), Mg ⁺ (24), Al ⁺ (27), and Si ⁺ (28), but the effect of these ions is significantly less than that of heavy ions of iron and calcium.

Реализуемость данного способа определения атомной массы положительных ионов металлов подтверждена в серии экспериментов, проведенных авторами изобретения в 2000-е годы на нагревном стенде СУРА (широта 56,1°; долгота 46,1°; Нижегородская область). В качестве возмущающего радиоизлучения, создающего искусственные периодические неоднородности, использовалось радиоизлучение трех синфазно работавших передатчиков стенда СУРА мощностью 250 кВт каждый, нагруженных на антенну с коэффициентом усиления G=100. Мощные передатчики нагревного стенда СУРА работали на частоте ƒ=4,7 МГц, излучая в зенит радиоволны необыкновенной поляризации возмущающего радиоизлучения с эффективной мощностью излучения ~80-100 МВт в режиме непрерывного излучения в течение 3 секунд с образованием искусственных периодических неоднородностей. По окончании возмущающего радиоизлучения в течение 12 секунд на стадии разрушения (релаксации) искусственных периодических неоднородностей передатчики стенда излучали в зенит в течение 12 секунд зондирующие радиоимпульсы длительностью 30 мкс и частотой повторения импульсов 50 Гц. В качестве приемника сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, использовался связной приемник Р-250 с расширенной до 80 кГц полосой пропускания.The feasibility of this method for determining the atomic mass of positive metal ions is confirmed in a series of experiments conducted by the inventors in the 2000s on the heating bench of the SURA (latitude 56.1 °; longitude 46.1 °; Nizhny Novgorod region). As a disturbing radio emission, creating artificial periodic inhomogeneities, we used the radio emission of three common-mode transmitters of the SURA stand with a power of 250 kW each, loaded onto an antenna with a gain of G = 100. Powerful transmitters of the SURA heating stand operated at a frequency of ƒ = 4.7 MHz, radiating at the zenith of radio waves of unusual polarization of disturbing radio emission with an effective radiation power of ~ 80-100 MW in continuous radiation for 3 seconds with the formation of artificial periodic inhomogeneities. At the end of disturbing radio emission for 12 seconds at the stage of destruction (relaxation) of artificial periodic inhomogeneities, the transmitters of the stand radiated into the zenith for 12 seconds, probe radio pulses with a duration of 30 μs and a pulse repetition rate of 50 Hz. A signal receiver R-250 with a bandwidth expanded up to 80 kHz was used as a signal receiver backscattered by artificial periodic inhomogeneities.

На фиг. 2а показана высотная зависимость измеренного τ(h) времени релаксации (левая кривая) и амплитуды (правая кривая) сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическим неоднородностями для сеанса измерений с началом в 12 час 55 мин 07 с 4 октября 2006 г. На высотной зависимости τ(h) линией показан высотный ход диффузионного времени релаксации τ_d(h) рассеянного сигнала, который имеет место в фоновой Е-области без спорадического слоя Е (E_s). Стрелками показаны рост времени релаксации и амплитуды сигнала, рассеянного периодическими неоднородностями, в спорадическом слое Е (E_s). Для измерений в вечерние часы 15 июня 2001 г. для массы ионов получены значения 39 и 57 аем, которые близки к массам Са⁺ и Fe⁺ (Бахметьева Н.В., Беликович В.В., Каган Л.М., Понятов А.А. Заходно-восходные характеристики спорадических слоев ионизации в нижней ионосфере, наблюдаемые методом резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях ионосферной плазмы // Известия вузов. Радиофизика. 2005. Т. 48. №1. С. 16-32.). Экспериментально и теоретически установленная точность определения высоты рассеивающего слоя не превышает 0.5-1.5 км (Григорьев Г.И., Бахметьева Н.В., Толмачева А.В., Калинина Е.Е. Время релаксации искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы и диффузия в неоднородной атмосфере // Известия вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56. №4. С. 207-218).In FIG. Figure 2a shows the altitude dependence of the measured relaxation time τ (h) (left curve) and the amplitude (right curve) of the signal backscattered by artificial periodic inhomogeneities for the measurement session starting at 12 hours 55 min 07 October 4, 2006. The altitude dependence τ ( h) the line shows the altitude course of the diffusion relaxation time τ _d (h) of the scattered signal, which occurs in the background E-region without a sporadic layer E (E _s ). The arrows indicate the increase in relaxation time and the amplitude of the signal scattered by periodic inhomogeneities in the sporadic layer E (E _s ). For measurements in the evening hours of June 15, 2001, for the ion mass, values of 39 and 57 AU were obtained, which are close to the masses of Ca ⁺ and Fe ⁺ (Bakhmetyeva N.V., Belikovich V.V., Kagan L.M., Ponyatov A .A. Sunset and bottom characteristics of sporadic ionization layers in the lower ionosphere, observed by the method of resonant scattering of radio waves by artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma // News of Universities. Radiophysics. 2005. T. 48. No. 1. P. 16-32.). The experimentally and theoretically established accuracy in determining the height of the scattering layer does not exceed 0.5-1.5 km (Grigoryev G.I., Bakhmeteva N.V., Tolmacheva A.V., Kalinina E.E. Relaxation time of artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma and diffusion in the inhomogeneous atmosphere // University proceedings. Radiophysics. 2013. V. 56. No. 4. P. 207-218).

В измерениях 26 сентября 2007 г. для высоты 100 км в разные часы наблюдений получены значения масс ионов М_м=58 и 44 аем, которые также близки к массам Fe⁺ и Са⁺ (Бахметьева Н.В., Беликович В.В., Егерев М.Н., Толмачева А.В. Искусственные периодические неоднородности в нижней ионосфере, волновые явления и спорадический слой Е // Известия вузов. Радиофизика. 2010. Т. 53. №2. С. 77-90). Отличие полученных значений М_Мот масс ионов Fe⁺ и Са⁺ объясняется вкладом более тяжелых ионов, например Ni⁺, концентрация которого более чем на порядок меньше концентрации ионов железа (Goldberg R.A. and Aikin А.С. Comet Encke: Meteor metallic ion identification by mass spectrometer // Science. 1973. V. 180. P. 294-296).In the measurements on September 26, 2007, for the altitude of 100 km at different hours of observation, the ion masses M _m = 58 and 44 AEM were obtained, which are also close to the masses of Fe ⁺ and Ca ⁺ (Bakhmeteva N.V., Belikovich V.V., Egerev M.N., Tolmacheva A.V. Artificial periodic inhomogeneities in the lower ionosphere, wave phenomena and the sporadic layer E // News of Universities. Radiophysics. 2010. V. 53. No. 2. P. 77-90). The difference in the obtained M _M values from the masses of Fe ⁺ and Ca ⁺ ions is explained by the contribution of heavier ions, for example Ni ⁺ , whose concentration is more than an order of magnitude lower than the concentration of iron ions (Goldberg RA and Aikin A.C. Comet Encke: Meteor metallic ion identification by mass spectrometer // Science. 1973. V. 180. P. 294-296).

На фиг. 2б) показана высотно-временная зависимость амплитуды сигнала А, рассеянного искусственными периодическими неоднородностями при существовании слоя E_s, иллюстрирующая влияние спорадического слоя Е на рассеянный сигнал, проявляющееся в росте его амплитуды и времени релаксации, для сеанса измерений с началом в 12 час 55 мин 07 с 4 октября 2006 г. На фиг. 3 дана ионограмма вертикального зондирования с наблюдавшимся в это время слоем E_s, используемая для расчета показателей преломления возмущающей радиоволны в спорадическом слое Е и фоновой E-области, для этих же измерений 4 октября 2006 г.In FIG. 2b) shows the time-altitude dependence of the amplitude of the signal A scattered by artificial periodic inhomogeneities with the existence of the layer E _s , illustrating the effect of the sporadic layer E on the scattered signal, which manifests itself in an increase in its amplitude and relaxation time, for a measurement session starting at 12 h 55 min 07 from October 4, 2006; FIG. Figure 3 shows an ionogram of vertical sounding with the layer E _s observed at that time, used to calculate the refractive indices of the perturbing radio wave in the sporadic layer E and the background E-region for the same measurements on October 4, 2006.

Claims

A method for determining the atomic mass of metal ions in a sporadic layer E (Es), characterized in that artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma are formed by exposing the ionosphere to disturbing radio emission at a frequency higher than the critical frequency for the E layer and below the critical frequency for the F layer, probing pulses into the ionosphere upon termination of the perturbing action at the same frequency and with the same polarization, receive a signal that is backscattered by artificial periodic inhomogeneous by means of ionospheric plasma, the amplitude and relaxation time of the backscattered signal are measured, the height dependence of the relaxation time of the signal backscattered by the periodic inhomogeneities generated by the disturbing radio emission at the altitudes h under study is determined, the relaxation time of inhomogeneities τ (h) is determined by decreasing the amplitude of the backscattered signal at each height, which in the absence of the sporadic E layer (E _s) is due to the ambipolar diffusion with a characteristic time τ _d (h), and when the existence sporadiche one layer E (E _s) - the diffusion of the characteristic time τ _Es (h) and relative times τ _Es (h) and τ _d (h) determine the atomic mass or type of metal ions in the sporadic E layer (E _s).