Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы исследования неоднородной структуры ионосферы, основанные на рассеянии радиоволн KB диапазона искусственными неоднородностями электронной концентрации 28
1.1. Резонансное рассеяние радиоволн на искусственных периодических неоднородностях 28
1.1.1. Суть явления 31
1.1.2. Создание ИПН и регистрация рассеянных сигналов. Методика эксперимента 40
1.1.3. Новый метод создания ИПН с двумя разными пространственными масштабами - двухчастотный метод 44
1.2. Вертикальное и наклонное зондирование возмущенной области пробными радиоволнами 45
Глава 2. Способы определения параметров нижней ионосферы по результатам измерений характеристик сигналов, рассеянных искусственными периодическим неоднородностями 53
2.1. Скорость вертикального движения плазмы в нижней ионосфере...53
2.2. Скорости турбулентных движений 56
2.3. Электронная концентрация в области Е. Двухчастотный метод 59
2.4. Характеристики спорадического слоя Е 63
2.4.1. Масса преобладающих ионов 63
2.4.2. Концентрация ионов и эффективный коэффициент рекомбинации 67
2.5. Температура и плотность нейтральной атмосферы на высотах Е-области 70
Глава 3. Результаты измерений характеристик нижней ионосферы методом резонансного рассеяния 73
3.1. Скорости вертикальных и турбулентных движений плазмы в нижней ионосфере 73
3.1.1. Сезонно-суточные вариации скорости вертикальных движений плазмы на высотах 60-120 км 74
3.1.2. Заходно-восходные особенности перестройки нижней ионосферы 86
3.1.3. Наблюдения ИПН во время частного солнечного затмения 91
3.1.4. Вертикальные движения в области D во время наземного промышленного взрыва 95
3.1.5. Результаты определения вертикальной компоненты скорости турбулентного движения и некоторых параметров турбулентности ниже высоты турбопаузы 104
3.2. Результаты измерений электронной концентрации в Е области двухчастотным методом. Профили электронной концентрации в интервале высот 90-120 ПО
3.3. Обсуждение результатов 124
Глава 4. Искусственные периодические неоднородности и спорадический слой Е 126
4.1. Основные сведения о СЛОЄЕБ 126
4.2. Влияние слоя ES на амплитуду и время релаксации сигнала, рассеянного искусственными периодическими неоднородностями. Преобладающие ионы 128
4.3. Эффективный коэффициент рекомбинации и концентрации основных ионов в слое 139
4.4. Спорадический слой Е при искусственном возмущении ионосферы 144
4.4.1. Краткий обзор экспериментов по нагреву ионосферы 144
4.4.2. Эксперименты по воздействию на слой Es и диагностике методом обратного рассеяния на ИПН 146
4.4.3. Влияние дополнительного нагрева ионосферы на ИПН... 164
4.5. Краткие выводы 166
Глава 5. Искусственные периодические неоднородности и волновые движения в нижней ионосфере 167
5.1. Влияние волновых движений на характеристики нижней ионосферы 168
5.2. Результаты моделирования характеристик ионосферы
с учетом распространения внутренних гравитационных волн 173
5.3. Влияние гидродинамических неустойчивостей на динамику нижней ионосферы 179
5.4. Выводы 191
Глава 6. Исследование неоднородной структуры возмущенной области ионосферы методами вертикального и наклонного зондирования на коротких среднеширотных радиотрассах 194
6.1. Методика экспериментов по обратному рассеянию радиоволн на трассе Зименки-Васильсурск (ПО км) 195
6.2. Результаты первых экспериментов 1985-1987 гг. в диапазоне частот пробных волн 2,7-6 МГц. Высотно-временные характеристики сигналов обратного рассеяния 197
6.3. Характеристики искусственных неоднородностей 207
6.4. Сигналы обратного рассеяния на частоте 1,68 МГц Эффективная скорость распространения возмущения 212
6.5. Особенности развития и релаксации сигналов обратного рассеяния при нагреве «на просвет» 216
6.6. Статистические характеристики сигналов обратного рассеяния...219
6.7. Исследование искусственных среднемасштабных неоднородностей методом наклонного зондирования
6.7.1. Времена развития, релаксации, степень анизотропии неоднородностей, вертикальные и горизонтальные размеры возмущенной области 227
6.7.2. Влияние среднемасштабных искусственных неоднородностей на распространение радиоволн KB диапазона 234
6.7.3. Влияние мощности нагревной волны на статистические характеристики сигналов наклонного зондирования 238
6.8. Результаты исследования искусственных неоднородностей на трассе Васильсурск-Казань (170 км) 247
6.8.1. Отклик нижней ионосферы на возмущение мощной радиоволной, отражавшейся в F-области: результаты вертикального зондирования 248
6.8.2. Результаты одновременных экспериментов по вертикальному и наклонному зондированию возмущенной ионосферы 269
6.8.3. Обсуждение механизмов появления возмущения в нижней ионосфере 292
6.9. Выводы 297
Заключение 300
Литература 305
- Создание ИПН и регистрация рассеянных сигналов. Методика эксперимента
- Скорости турбулентных движений
- Сезонно-суточные вариации скорости вертикальных движений плазмы на высотах 60-120 км
- Влияние слоя ES на амплитуду и время релаксации сигнала, рассеянного искусственными периодическими неоднородностями. Преобладающие ионы
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию пространственно-временных вариаций (структуры и динамики) естественных и искусственных плазменных образований в ионосфере Земли радиофизическими методами. Основу диссертации составили экспериментальные исследования нижней ионосферы методом резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях ионосферной плазмы, создаваемых полем мощных радиоволн наземного стенда. На основе измерений характеристик сигналов, рассеянных этими неоднородностями, разработаны и реализованы в ионосферных исследованиях способы определения ряда ионосферных параметров. Изучено влияние спорадических плазменных образований и атмосферных волн на характеристики рассеянных сигналов. Значительное внимание уделено экспериментальным исследованиям неоднородной структуры искусственно возмущенной области ионосферы методами вертикального и наклонного зондирования. Определены параметры искусственных анизотропных неоднородностей и возмущенной области ионосферы при воздействии на нее мощными радиоволнами.
Актуальность темы и предмет исследования
Ионосфера Земли, параметры которой могут сильно изменяться под действием различных возмущений естественного и искусственного происхождения, существенно влияет на эффективность работы информационно-коммуникационных систем. В результате природных климатических явлений (тайфуны, ураганы, выбросы пепла и газов при извержении вулканов), техногенной деятельности человека (производство углекислого газа и других, несвойственных ей компонент – фреонов и хлорсодержащих газов), постоянного воздействия на верхнюю атмосферу солнечного излучения, потоков энергичных частиц, сгорания метеоров, приносящих на Землю миллионы тонн космического вещества в год, состав атмосферы и ее плазменная составляющая испытывают значительные пространственно-временные вариации. По этой причине контроль за состоянием атмосферы Земли и околоземного космического пространства приобретает все большее значение.
Область в атмосфере Земли, труднодоступная для исследования, охватывает интервал высот 50–150 км – области D и E – нижнюю ионосферу. Она обеспечивает взаимодействие термосферы, регулируемой солнечной активностью, и тропосферы, формирующей погоду и климат. Исследование этой во многом переходной области является одной из актуальных задач физики космической плазмы. Движения нейтрального газа на этих высотах могут искажать траектории ракет, здесь происходит сильное торможение космических аппаратов, которые и сами возмущают естественное состояние ионосферы. Для многих практических целей нужно иметь сведения о параметрах атмосферы: ионизации, температуре, плотности, динамике (в частности, ветровом режиме). Кроме того, в нижней ионосфере спорадически образуются тонкие протяженные плазменные образования часто с очень высокими по сравнению с фоновым значениями электронной концентрации, играющие значительную роль в распространении коротких и ультракоротких радиоволн – спорадические слои Е. Эти обстоятельства определяют значимость и актуальность исследований, связанных с измерениями важнейших характеристик нижней ионосферы, ее динамики. Направления исследований ионосферы, связанные с исследованием естественных плазменных образований, спорадического слоя Е, его неоднородной структуры, волновых и турбулентных явлений, являются важнейшими составляющими национальных программ в рамках исследования «космической погоды».
Прямые измерения в нижней ионосфере возможны только с помощью геофизических ракет. Ракета дает высотный разрез измеряемой величины в строго определенном географическом пункте. Все наземные радиофизические методы исследования ионосферы, определения ее параметров, основаны на измерении характеристик распространяющихся в ней радиоволн. В настоящее время для исследования нижней ионосферы используются радиолокационное зондирование в диапазоне средних и коротких волн, метод некогерентного рассеяния, метод частичных отражений, лазерное зондирование атмосферы, MST радары. Широкое распространение получили оптические методы исследований. В последнее десятилетие развивается метод просвечивания атмосферы в инфракрасном диапазоне. Каждый из указанных методов имеет как свои достоинства, так и определенные ограничения [1*,2*]. В этой связи по-прежнему актуальна разработка новых информативных методов измерений и использование их в практике ионосферных исследований.
Активные эксперименты в космосе, связанные, в том числе, с воздействием на ионосферу мощного радиоизлучения, привели к разработке новых методов диагностики ионосферы, основанных на контролируемом воздействии на нее [3*–5*]. Существенно продвинуться в исследовании нижней ионосферы – области D, области Е с межслоевой E–F впадиной, недоступной исследованию методом вертикального зондирования, позволил новый радиофизический метод, разработанный в ФГНУ НИРФИ. Метод основан на создании в ионосфере в поле мощной стоячей волны искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы, зондировании их пробными, то есть не влияющими на среду распространения, радиоволнами, приеме сигналов, рассеянных периодической структурой, регистрации их амплитудно-фазовых характеристик, измерении высотно-временных зависимостей. На основе теории образования искусственных периодических неоднородностей (ИПН) разработаны способы определения большого числа характеристик ионосферы [6*]. Принципиально важным моментом в применении этого метода для диагностики ионосферы является зондирование периодической структуры на стадии релаксации искусственных возмущений после окончания воздействия на ионосферу.
Цель работы
Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование неоднородной структуры и динамики нижней ионосферы при воздействии на нее мощным высокочастотным радиоизлучением, в том числе:
диагностика нижней ионосферы перспективным методом измерений, основанным на резонансном рассеянии радиоволн на периодических неоднородностях электронной концентрации, создаваемых в поле мощной стоячей радиоволны нагревного стенда;
разработка и реализация новых способов определения характеристик нижней ионосферы: способа определения электронной концентрации на основе создания искусственных периодических неоднородностей с двумя разными пространственными масштабами; способа определения характеристик спорадического слоя Е по времени релаксации рассеянного сигнала;
применение традиционных методов исследования ионосферы, основанных на ее вертикальном и наклонном зондировании, к диагностике искусственных плазменных возмущений, возникающих в ионосфере Земли под действием мощного радиоизлучения, экспериментальное определение параметров возмущений.
Для проведения большинства экспериментальных исследований, связанных с воздействием на ионосферу, использовался уникальный среднеширотный нагревный стенд «Сура». Разработаны способы создания искусственных периодических неоднородностей, организованы короткие трассы наклонного зондирования широтного направления, выработаны режимы воздействия на ионосферу и определения параметров искусственных неоднородностей и невозмущенной ионосферы.
Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами и состоит в следующем.
1. Выполнен объемный цикл экспериментальных исследований нижней ионосферы новым радиофизическим методом, основанным на создании в поле мощной стоячей волны искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы на среднеширотных нагревных стендах «Зименки», «Сура» и низкоширотном стенде «Гиссар»:
---исследованы высотно-временные характеристики сигналов, рассеянных искусственными периодическими неоднородностями, на их основе получены новые сведения об основных параметрах ионосферы и нейтральной атмосферы на высотах 60–120 км;
---впервые проведены регулярные измерения скоростей вертикальных движений в указанном интервале высот, изучены их сезонно-суточные вариации;
---найдены скорости турбулентных движений вблизи высоты турбопаузы.
2. Разработаны новые способы диагностики нижней ионосферы на основе создания искусственных периодических неоднородностей с двумя разными пространственными масштабами. Впервые новым методом проведены измерения электронной концентрации на высотах 90–120 км, получены высотные профили электронной концентрации, проведена их классификация по степени возмущенности регулярной ионосферы;
3. Изучены вопросы влияния спорадического слоя Е на амплитуду и фазу рассеянного сигнала. Выявлена высокая чувствительность метода, использующего ИПН, к обнаружению слабых спорадических слоев. Предложен способ определения массы и концентрации преобладающих положительных ионов в слое Es, основанный на измерении времени релаксации рассеянного сигнала и скорости вертикального движения плазмы.
4. Проанализировано влияние волновых движений в ионосфере на характеристики рассеянных сигналов и параметры ионосферы и нейтральной атмосферы. Обнаружено влияние возмущения от наземного промышленного взрыва при его распространении на высоты 50–80 км по изменению амплитуд сигналов, рассеянных искусственными периодическими неоднородностями, и скорости вертикального движения. Показано, что подобное волновое возмущение приводит к разрушению ИПН.
5. Впервые экспериментально исследованы возмущения электронной концентрации, возникающие в ионосфере под действием мощного радиоизлучения, одновременно методом вертикального зондирования и обратного рассеяния радиоволн на коротких среднеширотных трассах. Показано, что возмущение плазмы распространяется ниже высоты резонансного взаимодействия мощной волны с плазмой на 40–120 км.
Методы и подходы, используемые в диссертации
В экспериментальных исследованиях характеристик нижней ионосферы используются: новый метод резонансного рассеяния радиоволн специально создаваемой квазипериодической структурой – метод резонансного рассеяния радиоволн на ИПН, традиционный метод вертикального зондирования, метод многочастотного наклонного импульсного зондирования возмущенной области ионосферы радиоволнами КВ диапазона. Зондирование ионосферы проводится с использованием современных методов цифровой регистрации и обработки сигналов на основе как оригинальных специально разработанных программ, так и с применением стандартных методик.
Для оценки влияния различных природных факторов на высотно-временные характеристики ионосферных параметров используется большой объем данных, полученных по результатам измерений амплитуды и фазы сигнала, рассеянного периодическими неоднородностями. Такой подход позволяет получать практически одновременно сведения о большом числе ионосферных параметров: скоростях вертикальных и турбулентных движений, электронной концентрации, температуре и плотности нейтральной атмосферы, характеристиках спорадического слоя Е и волновых движений.
Применение специальных режимов воздействия на ионосферу и диагностики возмущений позволяет исследовать параметры возмущений, масштабы неоднородностей, скорости распространения возмущений вниз от высоты отражения мощной волны.
Научное и практическое значение диссертационной работы состоит в следующем.
Реализация в эксперименте метода диагностики регулярной ионосферы на основе создания искусственной квазипериодической структуры показала перспективность его использования для исследований нижней ионосферы, в том числе для регистрации и изучения параметров слабых спорадических плазменных образований, мало доступных другим методам диагностики. Использование нового метода исследования ионосферы с помощью создания искусственных периодических неоднородностей позволяет получать сведения о важнейших параметрах регулярной («естественной») ионосферы методами активного воздействия на нее.
Полученные автором основные результаты являются новыми, они существенно дополняют известные сведения о динамике нижней ионосферы, ее неоднородной структуре как в естественных условиях, так и при возмущении ионосферы мощными радиоволнами.
Результаты, связанные с регистрацией искусственного возмущения на высотах значительно ниже высоты области резонансного взаимодействия мощной волны с ионосферной плазмой, представляют интерес с теоретической точки зрения для исследования механизма передачи возмущения из верхней в нижнюю ионосферу.
Практическая значимость работы состоит в совершенствовании метода резонансного рассеяния радиоволн, его использовании для диагностики нижней ионосферы, в том числе межслоевой E-F впадины, недоступной исследованию традиционным методом вертикального зондирования; в разработке и реализации оригинального способа определения параметров спорадического слоя Е – сорта и концентрации долгоживущих металлических ионов в слое на основе измерения характеристик сигналов, рассеянных ИПН; разработке и применении в исследованиях нижней ионосферы нового метода измерения электронной концентрации, основанного на создании искусственных периодических неоднородностей с двумя разными пространственными масштабами (на двух частотах).
В перспективе объединение метода частичных отражений и метода резонансного рассеяния на ИПН позволит проводить мониторинг нижней ионосферы на высотах 60–120 км с определением большого числа параметров как плазменной, так и нейтральной ее составляющих.
Обоснованность научных положений и выводов, достоверность полученных результатов обусловлены:
- теоретическим обоснованием нового метода исследования ионосферы на основе создания искусственных периодических неоднородностей и его экспериментальной проверкой;
- повторяемостью результатов в цикле однотипных экспериментов;
- использованием апробированных методов исследования ионосферы – вертикального и наклонного зондирования;
- применением современных методик регистрации и обработки экспериментальных данных;
статистически значимым объемом данных по измерению параметров ионосферы;
- сопоставлением результатов экспериментальных исследований с существующими теоретическими представлениями и с известными результатами других авторов;
- экспертными оценками при публикации основных результатов исследований в рецензируемых научных изданиях.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Результаты экспериментальных исследований характеристик рассеянных сигналов и параметров нижней ионосферы методом резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях электронной концентрации.
2. Результаты экспериментальных исследований волновых и турбулентных движений, их роли в вариациях характеристик рассеянных сигналов и параметров нижней ионосферы.
3. Новый способ диагностики нижней ионосферы, заключающийся в создании искусственной периодической структуры с двумя разными пространственными масштабами – двухчастотный способ определения электронной концентрации в Е-области ионосферы.
4. Способ и результаты определения параметров спорадического слоя Е – массы и концентрации преобладающих положительных ионов в слое Es.
5. Результаты экспериментальных исследований искусственных возмущений и параметров искусственных среднемасштабных неоднородностей (с поперечным относительно геомагнитного поля масштабом сотни метров), их динамики методами вертикального и наклонного зондирования на коротких радиотрассах
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на Международных Суздальских симпозиумах URSI по модификации ионосферы мощным излучением (Суздаль, 1986, 1988, 1991; Уппсала, Швеция, 1994; Москва, 1998, 2004, 2007), на XXVI, XXV, XXIX Генеральных ассамблеях URSI (Прага, 1990; Лилль, Франция, 1996; Чикаго, США, 2008), на 30–38 Генеральных ассамблеях COSPAR (Гамбург, Германия, 1994; 1996; Линдау, Германия, 2006; Монреаль, Канада, 2008; Бремен, Германия, 2010); на XVI, XXV, XXVII Генеральных ассамблеях EGU (Ницца, Франция, 2000, 2002), XXI Генеральной ассамблее IUGG, Боулдер, США, 1995); 1 S-RAMP конференции, Саппоро, Япония, 2000; RF Ionospheric Interaction Workshop (Санта Фе, США, 2003, 2004; Боулдер, США, 2009); на XVI Всесоюзной (Харьков, 1990) и XVII (Ульяновск, 1993), XVIII, XIX (Казань, 1999), XX (Нижний Новгород, 2002), XXI (г. Йошкар-Ола, 2011)XXII (г. Ростов-на-Дону – п. Лоо, 2008), XXIII (г. Йошкар-Ола, 2011) Всероссийских конференциях по распространению радиоволн, Всероссийской межвузовской научно-практическая конференции "Конверсия вузов – защите окружающей среды". Екатеринбург. 1994; 14 научной конференции по радиофизике (7 мая 2010 г., Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского), а также регулярно докладывались на семинарах ФГБНУ НИРФИ.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 104 работы. Из них 41 статья – в рецензируемых журналах, в том числе 33 – в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ (УФН, Геомагнетизм и аэрономия, Известия ВУЗов. Радиофизика), 5 статей в международных журналах (Radio Science, Journal Atmospheric and Solar Terrestrial Physics, Physics Review Letters, Radio Physics and Radio astronomy), 2 препринта НИРФИ, 59 работ – полные тексты и тезисы докладов в трудах всероссийских и международных конференций.
В соавторстве с В.В. Беликовичем, Е.А. Бенедиктовым и А.В. Толмачевой при финансовой поддержке РФФИ опубликована монография «Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей», впоследствии дополненная новыми результатами и переведенная на английский язык и изданная издательством Copernicus.
Личный вклад автора
Большая часть экспериментальных исследований выполнены при личном участии автора. Расчеты, приведенные в диссертации, выполнены автором. В тех случаях, когда приводятся экспериментальные и теоретические результаты, полученные другими авторами, в диссертации приводятся соответствующие ссылки. Учитывая то обстоятельство, что экспериментальные исследования с использованием нагревных стендов, сложных диагностических установок со значительным объемом получаемых данных невозможно провести единолично, большинство работ автора по теме диссертации написано в авторских коллективах.
Экспериментальные исследования 1990–1992 гг. проводились под руководством Е.А. Бенедиктова в рамках изучения динамических явлений в ионосферной плазме. Автором диссертации обработан, проанализирован и проинтерпретирован обширный экспериментальный материал по измерению скоростей вертикальных и турбулентных движений.
Автору принадлежит методика (способ) определения ионного состава и концентраций металлических ионов в спорадическом слое Е. Участие соавторов в разработке нового двухчастотного метода измерения электронной концентрации равноправное. Автором получены основные результаты экспериментов по исследованию характеристик сигналов обратного рассеяния и наклонного зондирования радиоволн на коротких трассах. Организация и проведение экспериментов последних лет осуществлялась лично автором. Все выводы диссертационной работы принадлежат автору.
Благодарности
Автор выражает глубокую признательность своим коллегам и соавторам В.В. Беликовичу, Е.А. Бенедиктову, В.Ф. Брянцеву, В.Н. Бубукиной, С.А. Дмитриеву, В.А. Иванову, Ю.А. Игнатьеву, Н.П. Гончарову, Г.И. Григорьеву, В.Д. Вяхиреву, Л. М. Каган, Е.Е. Калининой, Г.С. Коротиной, С.Н. Матюгину, А.А. Понятову, А.В. Толмачевой, В.Л. Фролову, П.Б. Шавину, В.В. Шумаеву, принимавшим участие в выполнении работ, результаты которых составили основу данной диссертации. Автор выражает благодарность коллективу лаборатории «Васильсурск» и лично Г.П. Комракову за инженерное обеспечение «нагревных» экспериментов и помощь в организации наблюдений.
Все исследования, результаты которых представлены в диссертации, выполнены в соответствии с планом работ ФГБНУ НИРФИ. Автор отмечает, что успешному проведению экспериментальных исследований способствовала также финансовая поддержка РФФИ: гранты № 93-05-9661,
№ 95-05-15086 (руководитель), № 96-05-65130, № 97-05-64397, № 00-05-64695 (руководитель), № 02-05-65281, № 04-05-64140 (руководитель), 08-02-97036 (руководитель), 09-05-00450 (руководитель), 11-02-00028 (руководитель), а также ряда экспедиционных грантов РФФИ. Работа была поддержана также Международным научным фондом Дж. Сороса (1994–1995 гг., гранты NOY000 и NOY300). При финансовой поддержке РФФИ (грант № 99-05-78032) издана монография Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Толмачева А.В., Бахметьева Н.В. «Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей». – Н. Новгород: ИПФ РАН. 1999. 156 с.
Диссертация состоит из Введения, 6 глав, Заключения, Списка использованной литературы из 193 наименований. Объем диссертации составляет 320 страниц, включая 67 рисунков и 4 таблицы.
Создание ИПН и регистрация рассеянных сигналов. Методика эксперимента
Условие пространственного синхронизма X = Хнагр выполняется в двух случаях, определяющих возможных два способа регистрации периодических неоднородностеи. Наблюдения ИПН в этом случае проводятся следующим образом. Нагревный стенд излучает вверх мощную радиоволну на частоте /нагр ниже критической частоты ионосферы. При интерференции падающей и отраженной от ионосферы волн образуется мощная стоячая волна, в поле которой создаются неоднородности электронной концентрации. Через некоторое время передатчики нагревного стенда выключаются, ИПН исчезают (релаксируют), и на той же частоте начинает работать передатчик пробных радиоволн, излучая импульсы той же частоты и поляризации, что использовались для создания ИПН. Пробные радиоволны рассеиваются на неоднородностях и принимаются приемником диагносцирующей установки. Амплитуда и фаза рассеянного сигнала регистрируются в течение всего периода релаксации ИПН, который продолжается обычно не более 3 с. Временная диаграмма создания и диагностики неоднородностеи приведена на рис. 1.3 а). Таким образом, рассеянные сигналы приходят со всех высот, где создаются неоднородности, так как равенство (1.14) выполняется независимо от величины электронной концентрации. Отметим, что при использовании этого метода для диагностики ионосферы, ИПН создают, излучая мощную волну необыкновенной поляризации для того, чтобы исключить влияние искусственных ионосферных неоднородностеи разных масштабов, возникающих вблизи точки отражения мощной волны обыкновенно поляризации [82,92,105].
Многие годы для создания ИПН используется стенд «Сура» [59,61], включенный в число уникальных научных установок России. Для диагностики ИПН также используются передатчики стенда, переводимые в импульсный режим, а прием и регистрация сигналов осуществляется приемной частью установки для регистрации сигналов частичных отражений [52]. Регистрация амплитуды и фазы сигнала, рассеянного ИПН, позволяет получать информацию о большом числе ионосферных параметров. По регистрациям в цифровом виде квадратурных компонент рассеянного сигнала на каждой высоте рассчитываются амплитуда А и фаза ср сигнала, временные зависимости которых затем аппроксимируются линейными функциями вида \nA(t) = \nAzlT и (p(t) = pQ + 4nVt/A. (1-15)
Из первой зависимости по спаданию амплитуды в е раз определяется время релаксации рассеянного сигнала г, из второй - скорость вертикальных движений V на линейном участке зависимости (p{i) Пример высотных профилей времени релаксации рассеянного сигнала (слева) и амплитуды (справа) приведен на рис. 1.3.6. На рис. 1.4 приведены примеры регистрации амплитуды и фазы рассеянного сигнала с аппроксимирующими прямыми.
Другое условие выполнения равенства длин волн нагревной и пробной радиоволн сводится к использованию для создания и локации ИПН радиоволн разных частот f\ и f2 с разными поляризациями. В этом случае выбор частот определяет соотношение fxn x=f2nr, (1.16) где и" и пх показатели преломления обыкновенной и необыкновенной волн. Зависимости логарифма амплитуды А и фазы р рассеянного сигнала от времени регистрации (в условных единицах) на разных действующих высотах И: а) - 111,8 км, б) - 99,2 км, в) - 90,8 км fH-eHlmc. Выбирая определенным образом частоты нагревного стенда и зондирующего передатчика, можно наблюдать рассеяние лишь с высот, где электронная концентрация удовлетворяет соотношению (1.16). Реализация этого способа в экспериментах 80-90 гг. прошлого века позволила, используя эффект рассеяния, измерить высотный профиль N(h) в диапазоне высот 100-180 км, в том числе в межслоевой впадине - долине - области высот между областями Е и F, недоступной иследованию иононозондами вследствие того, что электронная концентрация в ней меньше концентрации в максимуме Е-области. Результаты измерений электронной концентрации этим способом отражены в работах [49,54,161].
Логическим развитием метода резонансного рассеяния на ИПН явилось осуществление идеи создания периодической неоднородной структуры практически одновременно на двух частотах. За время 15-20 с, которые требуются для проведения одного сеанса измерений, характеристики ионосферы в среднем не успевают измениться. В результате создавая ИПН попеременно на двух разных частотах, можно, как будет показано в разделе 2.3, измерять электронную концентрацию по отношению времен релаксации на этих частотах, при этом ИПН, создаваемые на этих частотах имеют разные пространственные периоды. Отношение времен релаксации рассеянных сигналов зависит только от соотношения этих частот и плазменной частоты на данной высоте. По отношению времен релаксации ИПН на двух частотах определяется плазменная частота и, соответственно, электронная концентрация на данной высоте. Как показано в [55], относительная погрешность определения электронной концентрации этим методом не будет превышать 10%.
При использовании двухчастотного метода воздействие на ионосферу и последующее зондирование области ИПН нужно производить радиоволнами одной и той же частоты и поляризации. Создание периодической структуры и ее зондирование будет происходить попеременно то на частоте/], то на частоте/. В 2006-2007 гг. проведены первые экспериментальные исследования ионосферы двухчастотным методом на базе нагревного стенда «Сура». Попеременно на каждой их двух частот работали передатчики стенда (два - на частоте 4,7 МГц и один - на частоте 5,6 МГц) циклами длительностью 15 с: в течение Зс продолжался нагрев ионосферы и создание ИПН. В течение следующих 12 с (в паузе), когда происходила релаксация ИПН и производилось их зондирование пробными радиоволнами, с частотой повторения 50 Гц излучались импульсы длительностью 30 мкс. Создание ИПН осуществлялось волной необыкновенной поляризации, на приеме рассеянного сигнала выделялась волна той же поляризации [36].
Скорости турбулентных движений
Мелкомасштабные движения, обусловленные турбулентностью, влияют на характеристики сигнала, рассеянного ИПН, так как нарушают их упорядоченную структуру. В частности, они ведут к расфазировке сигналов, рассеянных различными частями объема рассеяния, что, естественно, приводит к уменьшению амплитуды принимаемого сигнала и уширению его углового спектра. Влияние турбулентности выражается в уменьшении амплитуды рассеянного сигнала и его времени релаксации относительно времени диффузионного расплывания ИПН.
В. В. Беликовичем и Е. А. Бенедиктовым в монографии [54] (см. также [14] в ней) подробно рассмотрена задача о влиянии атмосферной турбулентности нижней ионосферы на амплитуду и время релаксации рассеянного сигнала при учете поля скоростей, распределенного по определенному закону (рассматривались распределения Гаусса, Коши и косеканса гиперболического). Полагая, что искажения периодической структуры создаются только вертикальными движениями, рассматривая только поле вертикальных скоростей, и считая, что объем рассеяния много больше периода ИПН Л, авторы получили выражение для изменения во времени амплитуды рассеянного сигнала в зависимости от скорости турбулентного движения Vt в виде A(i) = 4)(1 + /г,)" ехр -(\/Td+yf2/Tt)t где rd = (K2Dyl - время релаксации, обусловленное амбиполярной диффузией, а г, =(Ю ,)_ - время релаксации, обусловленное турбулентностью.
Так как времена т / и т, являются функциями высоты, можно проводить измерения на высотах выше и ниже турбопаузы, высота которой ht около 100 км. Выше турбопаузы турбулентное перемешивание сменяется диффузионным разделением газов и г, - со ( -» 0), при этом измеряемое время релаксации рассеянного сигнала определяется амбиполярной диффузией и T = rd. Определяя «диффузионную» зависимость xjji) на высотах h ht, можно экстраполировать ее на более низкие высоты h h, в первом приближении - по экспоненте при постоянной температуре нейтральной компоненты Т или по более точной и сложной зависимости с учетом зависимостей T(h) и K(h). На рис. 2.1 а) приведен пример способа определения Vt на основе экстраполяции диффузионной зависимости rjji) на более низкие высоты, а на рис. 2.1 б ) - найденные таким способом вариации турбулентной скорости на высоте 100 км в один из дней наблюдений. Таким образом, можно определить xjji) ниже высоты турбопаузы и, соответственно, величину турбулентной скорости Vt по приведенной выше формуле. Получая, в свою очередь, зависимость Vt{h), приближенно определяем высоту турбопаузы из условия приближения к нулю значений турбулентной скорости. Используя, далее известные соотношения [175,98], можно получить сведения о коэффициенте турбулентной диффузии Kt, скорости диссипации турбулентной энергии st и т.д.
Использование двухчастотного способа создания ИПН и регистрации рассеянного сигнала позволяет избежать процедуры экстраполирования для нахождения диффузионного времени релаксации =(K2D) l, что позволяет одновременно определять такие атмосферные параметры как вертикальная компонента турбулентной скорости нейтральной среды и коэффициент амбиполярной диффузии плазмы.
Таким образом, соотношения (2.9, 2.10) по существу дают способ определения электронной концентрации по измерению времен релаксации ИПН на двух разнесенных частотах: измеряя высотную зависимость 6(h), определяем высотный профиль электронной концентрации в Е-области ионосферы - Л (/7)-профиль. Приведем результаты расчета отношения времен релаксации 6(h) для конкретного N(h) профиля и рабочих частот/І =5,6 МГц, и 2=4,7 (4,0) МГц. На рис. 2.2 в) показан #(/ )-профиль для полудня 7 апреля 2004 г., использованный для расчетов при проведении измерений, рассчитанный по модели [8] с максимумом электронной концентрации на высоте около 109 км, а на рис. 2.2 г) приведена соответствующая зависимость 6(h). Из рис. 2.2 г) видно, что изменение 6 начинается с высоты -89 км.
Величина 6 достигает минимального значения на высоте, где максимальна концентрация (-109 км). В работе [55] сделаны оценки погрешности измерений электронной концентрации данным методом. Погрешность измерения г можно уменьшить путем усреднения по нескольким реализациям. В этом случае на высотах 100-110 км погрешность определения электронной концентрации составит не более 10%. Выше ПО км погрешность растет, что связано с уменьшением времен релаксации вследствие экспоненциального уменьшения плотности атмосферы, поэтому двухчастотный метод определения электронной концентрации ограничен высотой 120 км. Нижний предел высоты измерения электронной концентрации ограничен турбулентной областью.
Сезонно-суточные вариации скорости вертикальных движений плазмы на высотах 60-120 км
Как обсуждалось в разделе 2.1, на стадии релаксации неоднородности движутся со скоростью вертикального перемещения атмосферного газа - со скоростью среды [58]. С другой стороны, метод резонансного рассеяния на ИПН позволяет оценить скорость вертикального переноса плазмы на высотах 60-120 км, учитывая, что на этих высотах имеет место почти полное увлечение плазмы движением нейтрального газа [71-73]. Первые результаты исследования временных вариаций и высотного профиля V(h) выполнены в экспериментах с ИПН в мае 1986 г.. Было получено, что «мгновенные» (измеренные с интервалом 15 с) значения V на высотах D-области достигали 5-8 м/с и существенно изменялись во времени. В 1990-1992 гг. был выполнен наибольший объем регулярных экспериментов, связанных с исследованием ИПН, что позволило получить сведения о сезонно-суточных вариациях вертикальной скорости новым методом.
В разделе приведены результаты измерений скорости вертикального движения V в дневные часы (в основном, с 9 до 17 часов московского декретного времени, выполненных с сентября 1990 г. по май 1991 г. и отчасти, в 1992 г. в лаборатории НИРФИ «Зименки».
Для создания искусственных периодических неоднородностей в этих экспериментах использовался нагревный стенд «Зименки», состоявший из возмущающего передатчика и антенной системы, который излучал в зенит в непрерывном режиме с эффективной мощностью Р 20 МВт на частоте /нагр=5,545 МГц радиоволны необыкновенной поляризации в течение 5 с. Как приведено в разделе 1.1, этого времени более чем достаточно для образования искусственных периодических неоднородностей электронной концентрации [54]. В течение следующих 10 с в период релаксации периодической структуры использовалась установка частичных отражений [52,57], передатчик которой излучал импульсы длительностью, как правило, 50 мкс с частотой повторений 50 Гц. Для регистрации фазы обратно рассеянного сигнала использовалась разработанная в НИРФИ специализированная приемно-регистрирующая аппаратура, позволявшая вести запись одновременно с шести высот. Регистрация рассеянного сигнала проводилась в диапазоне высот 60-130 км с шагом по высоте 3-5 км. По изменению фазы p(t) согласно (2.1) определялась скорость вертикального движения V. Фаза р изменяется, главным образом, за счет вертикальных движений, а перемещение ИПН под влиянием горизонтального ветра практически не сказывается на фазе рассеянного сигнала вследствие больших размеров периодической структуры. Временное разрешение фактически определяется периодом работы нагревного передатчика и может быть доведено до нескольких секунд; в данной серии измерений оно составило 15 с. Временное разрешение улучшается за счет хорошего соотношения сигнал/шум, что, в свою очередь, обусловлено синфазным сложением волн, рассеянных каждой неоднородностью периодической структуры вследствие выполнения условия пространственного синхронизма (1-2). Пространственное разрешение по высоте определяется длиной зондирующего импульса (А/г=ст/2) и для достаточно коротких импульсов, например, длительностью порядка 10 мкс будет не более 1,5 км. Для экспериментов 90-х годов оно составило 5 км.
Временные вариации скорости вертикальных движений. Результаты измерений показали, что скорость вертикального движения испытывает значительные изменения во времени. Особенности быстрых вариаций скорости приведены ниже, здесь же остановимся на усредненных характеристиках. Для анализа временных вариаций использовались усредненные за 1, 15, 30 и 60 минут значения К на каждой из шести высот, а также значения скорости, сглаженные методом скользящего среднего по интервалу от 15 мин до 1 часа. Таким образом, были получены зависимости V(t) в течение каждого дня наблюдений. Кроме того, были суммированы данные на каждой из высот для всех дней данного месяца в определенное время суток, в результате чего был получен сёзонно-суточный ход вертикальной скорости. Заметим, что определение «суточные» использовано здесь не вполне корректно, так как измерения проводились только в дневные часы. Данные измерений скорости в ночные часы приведены ниже. Напомним, что отрицательные значения V соответствуют движению вверх.
Вначале отметим некоторые общие закономерности вариаций вертикальной скорости. Так, среднемесячные значения К на высотах ниже 90 км составили менее 1 м/с, возрастая до 4,6 м/с с увеличением высоты до 120 км. Выше 90 км преобладали движения вверх (более 70% данных). В нижней части области D (на высотах ниже 65 км) все полученные значения V соответствовали движению вниз, на высотах 70-75 км преобладающего направления не выявлено, правда, и число измерений на относительно низких высотах было невелико. На рис. 3.1а) приведены данные о сезонных вариациях вертикальной скорости в диапазоне высот 89-114 км с интервалом 5 км. Поскольку измерения V в разные дни проводились на несколько отличаювхся высотах, первичные данные были усреднены в каждом пятикилометровом интервале и для определенности отнесены к его нижней границе. Каждая точка получена усреднением значений V за месяц. На рис.3. 1 а) виден нерегулярный характер изменений вертикальной скорости. Наибольшее количество измерений К относится к указанному на рис. 3.1 а) диапазону действующих высот, поэтому, если специально не оговорено, результаты приводятся для интервала 89-114 км.
Отметим, что в период наблюдений на этих высотах максимальные среднемесячные абсолютные значения скорости были получены в зимние месяцы: в ноябре 1990 г. и январе 1991 г. и составили по величине 4,6 и 2,6 м/с соответственно. В остальное время среднемесячные значения скорости не превышали 1,5 м/с. Наибольший разброс средних за месяц значений V пришелся на ноябрь 1990 и январь 1991 гг.
Влияние слоя ES на амплитуду и время релаксации сигнала, рассеянного искусственными периодическими неоднородностями. Преобладающие ионы
Развитием метода рассеяния на ИНН в применении к исследованиям спорадического слоя Е было использование высотной зависимости времени релаксации рассеянного сигнала для определения молекулярной массы (то есть, сорта) положительных металлических ионов, преобладающих в слое Es [25,26,31,34,35]. Мы обратили внимание на эту возможность в августе 1996 г., когда впервые была осуществлена цифровая регистрация рассеянного сигнала с шагом по высоте 0,7 и 1,4 км [56]. Оказалось, что на графике высотной зависимости времени релаксации рассеянного сигнала т(/г) на высоте слоя Es появляются локальные максимумы, в которых величина т возрастает (см. раздел 2.4). В итоге была предложена методика (способ) оценки массы преобладающих ионов в слое, то есть фактически определяется сорт ионов, сгонка которых в магнитном поле Земли под действием ветра может приводить к образованию слоя Es. В разделе 2.4. обсуждались причины увеличения времени релаксации на высоте слоя Es - рост электронной концентрации в слое Es по сравнению с фоновой концентрацией Е-области и существование в спорадическом слое Е долгоживущих атомарных металлических ионов, в том числе тяжелых, с массами, значительно превышающими массы основных молекулярных атмосферных ионов.
Но, как следует из отношения (2.11) времен релаксации рассеянного сигнала в слое Es и фоновой Е-области, необходимо принимать во внимание тот факт, что частоты соударений с нейтральными частицами металлических атомарных и основных молекулярных ионов NO+ и 02+ различны. Учет частот соударений металлических ионов с нейтралами позволяет заключить, что определенное влияние на время релаксации рассеянного сигнала могут оказывать и более легкие по сравнению с молекулярными атомарные ионы Na+ (Мм =22), Mg+ (24), А1+ (27) и Si+(28). Правда, их влияние по сравнению с ионами железа и кальция, должно быть, видимо, существенно меньше.
С учетом этого фактора можно предполагать, что для ионов, более легких по сравнению с основными атмосферными ионами NO+ и Ог+, определяющее влияние на увеличение времени релаксации рассеянного сигнала, вероятно, оказывает повышенная относительно фоновой электронная концентрация в слое Es. По результатам измерений 15 июня 2001 г. за период времени с 19:45 до 20:45 в так называемом промежуточном слое Es, рассеянные сигналы от которого регистрировались при его снижении с высот 113-123 км до высот 100-110 км с эффективной скоростью порядка 1 м/с, получено Аг/г« 1,0-1,8. Взяв /о=2,5МГц, / =3-3,5 МГц, 5,67 МГц, получим для массы ионов значения 39 и 57, которые близки к массам Са и Fe+ [34,47,149-151]. В то же время, для «классического» слоя Es, наблюдавшегося в этот же день в предзаходные часы на высотах 95-105 км, foE=2,0 МГц, fbEs=2,2 МГц и Дг/г«0,3 и для массы ионов получим значение Мт=37. Это может означать, что определенный процент ионов в слое Es составляли более легкие ионы. По ионосферным данным во время наблюдений 16,17 августа 2000 г. критическая частота Е-слоя и частота экранирования Es практически совпадали, и в этом случае увеличение времени релаксации ИПН должно было определяться лишь массой металлических ионов. Характерно, что в это время изменения г в подавляющем большинстве сеансов составили 30-50%, что дает для Мм значения 37-42. Для спускавшегося слоя 26 сентября 2006 г. (рис. 3.13) для высоты 100 км получены значения масс ионов Мм =58 и 44, которые близки к массам Fe+ и Са+ (были использованы профили электронной концентрации в спорадическом слое и фоновой -области, определенными двухчастотным способом.
Для определения массы положительных ионов Мм на высоте спорадического слоя Е требуется знание электронной концентрации в слое и фоновой электронной концентрации Е-области. Эти величины входят в выражение для показателей преломления пЕ и nEs. В первых экспериментах использовались данные ионозонда, в дальнейшем - Л )-профиль, полученный двухчастотным методом [36,38].
Учет частоты ион-нейтральных соударений позволяет объяснить один интересный результат, связанный с распределением слоев металлических ионов по высоте. Еще в 1969 г. в работе [165] G. Chimonas предположил, что в спорадическом слое Е, состоящем из нескольких сортов металлических ионов, последние располагаются на разных высотах, зависящих от нормализованной частоты ион-нейтральных соударений R,= vMim/Qt, где Д -гирочастота ионов и рассмотрел эту задачу. Величина R, входит в выражение для горизонтальной скорости ветра, обеспечивающей сгонку ионов. В [165] с учетом того, что на выше 85-90 км столкновения ионов происходят в основном с молекулами азота вследствие преобладания его концентрации в 4-5 раз над концентрациями молекул О и 02, а частота соударений является функцией как массы иона, так и его диаметра, получено соотношение Rpe:RMg:Rsi= 1,73:1,24:1,0. Это означает, что на распределение ионов в большей степени влияют ионы с малой массой и (или) большим атомным радиусом. Следовательно, в случае, когда спорадический слой Е формируется из металлических метеорных ионов, должно происходить его расслоение таким образом, что нижний подслой будет состоять из ионов Si+, следующий - из ионов Mg+, а самые тяжелые ионы Fe+ образуют верхний подслой. Разность высот ионных слоев может составлять 1-3 км. Впоследствии этот вывод был подтвержден в ракетных экспериментах [181,182,189]. Таким образом, слои ионов могут быть разделены по высоте, но вместе составлять относительно широкий слой Es. В [181] отмечается также, что подобные расслоения были более заметны на высотах 95-97 км и значительно менее выражены на высотах 104-105 км.
Расслоения спорадического слоя Е уверенно регистрируются на яркостных записях сигнала, рассеянного ИПН. Резонансный характер рассеяния пробных радиоволн обеспечивает определение высоты максимума амплитуды и времени релаксации рассеянного сигнала с хорошей точностью. Шаг регистрации рассеянного сигнала по высоте составляет 1,4 км. Это позволяет визуально на яркостной записи в координатах «амплитуда-время-действующая высота» наблюдать неоднородную структуру нижней ионосферы - спорадические слои и крупномасштабные неоднородности.
