Содержание к диссертации
Введение
1 Морфологический анализ ионограмм и верификация результатов эксперимента по радиозондированию с орбитального комплекса «Мир» 22
1.1 Математическое моделирование эксперимента по радиозондированию с
орбитального комплекса «Мир» 22
1.1.1 Построение математической модели радиозондирования плоскослоистой ионосферы 24
1.1.2 Построение математической модели радиозондирования ионосферы с нарастающей горизонтальной концентрацией электронов 26
1.1.3 Математическая модель неоднородной концентрации электронов в ионосфере, основанная на введении функции распределения концентрации электронов в ионосфере 29
1.2 Аппаратура для проведения эксперимента по радиозондированию модуля «Природа» ОК «Мир» 29
1.2.1 Аналоговые ионограммы ОК «Мир» 31
1.2.2 Цифровые ионограммы ОК «Мир» 33
1.2.3 Анализ шумов на ионограммах в цифровой записи
1.3 Полный перечень всех сеансов на ОК «Мир» 37
1.4 Морфологическое исследование ионограмм и принципы интерпретации
1.4.1 Терминология 44
1.4.2 Ионограммы с высот выше максимума слоя F2 44
1.4.3 Особенности ионограмм при зондировании с высот ниже максимума слоя F2. Задержанный нижний след 47
1.5 Морфологический анализ ионограмм с ЗНС из различных районов земного шара 49
1.5.1 Анализ времени и места регистрации ионограмм с ЗНС 49
1.5.2 Морфологические особенности ионограмм с ЗНС 51 з
1.6 Аппаратурная регистрация положения ионозонда относительно максимума ионосферы. Последовательность ионограмм, пересекающих максимум 55
1.7 Сравнительная характеристика узловых деталей ионограмм при зондировании со спутников на различных высотах 58
1.8 Верификация результатов зондирования с ОК «Мир»
1.8.1 Сравнение результатов радиозондирования ОК «Мир» с данными наземных ионосферных станций 60
1.8.2 Сравнение результатов радиозондирования с ОК «Мир» с данными наблюдений за спутниками системы NNSS 72
1.8.3 Сравнение результатов зондирования с ОК «Мир» с данными радара некогерентного рассеяния в г. Иркутске 78
1.9 Анализ геомагнитной обстановки во время проведения эксперимента по радиозондированию на ОК «Мир» 80
Выводы 86
2 Траекторный синтез ионограмм 88
2.1 Начало исследования сложных ионограмм 88
2.2 Метод расчета траекторий, основанный на правиле Снелиуса 92
2.3 Методика восстановления Ы(п)-профиля по следу отражения от Земли, на основе профиля, рассчитанного ионосферной моделью IRI 102
2.4 Траекторный синтез ионограмм на основе метода с использованием правила Снелиуса в рамках слоистой модели ионосферы 105
2.5 Траекторный синтез ионограмм на основе метода с использованием правила Снелиуса в рамках модели ионосферы, заданной функцией распределения концентрации 108
2.6 Метод расчета возвратных траекторий на основе метода характеристик для уравнения эйконала с описанием движения луча и волнового вектора
2.6.1 Система характеристических уравнений 110
2.6.2 Сравнение методов расчета для решения задачи распространения электромагнитных волн в неоднородных средах 113
2.6.3 Вывод системы характеристических уравнений для уравнения эйконала 115
2.7 Сравнение результатов расчета траектории методом характеристик и методом, основанным на выполнении правила Снелиуса 121
2.8 Анализ форм траекторий радиосигналов в условиях модельной ионосферы с горизонтальным положительным градиентом электронной плотности 123
2.9 Анализ горизонтальных градиентов электронной плотности, вызывающих ЗНС на ионограммах 132
2.10 Методика определения направления градиента электронной концентрации по серии ионограмм с ЗНС 135
2.11 Основные этапы проведения численного эксперимента по моделированию условий возникновения ионограмм с ЗНС 136
Выводы 139
3 Поведение z-компоненты магниторасщепленного сигнала при радиозондировании со спутника из окрестности высоты максимума электронной концентрации ионосферы 141
3.1 Математическое обоснование существования z - компоненты 141
3.2 Ранние сведения о наблюдении z - компоненты 143
3.3 Поведение z-компоненты в простом слое Чепмена 148
3.4 Поведение z-компоненты в условиях реальной ионосферы 154
3.5 Расчет профиля электронной концентрации по следам отражения о- и z-компоненты от ионосферы 157
3.6 Некоторые замечания о погрешности расчетов/( )-профиля 162
3.7 Восстановление цЪ)-профиля в условиях неполной информации 165
Выводы 167
4 Исследование экваториальной ионосферы с высот из окрестности максимума электронной концентрации 169
4.1 Зоны резкого роста высоты максимума электронной концентрации и зоны резкого изменения плазменных частот в горизонтальном разрезе в планетарной ионосфере 169
4.2 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ОК «Мир» в экваториальной зоне весной 1999 г
4.2.1 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» 2-3 марта 1999г 172
4.2.2 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» 10-11 марта 1999г 175
4.2.3 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» во время суточного сеанса 31 марта-1 апреля 1999г 181
4.2.4 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» 21 апреля 1999г 192
4.2.5 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» 23 апреля 1999г 197
4.2.6 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» в полуночные часы 5,6 и 7 мая 1999 г 199
4.2.7 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» в утренние часы 6-7 мая 1999 г 2 4.3 Пространственно-частотные характеристики максимумов «гребней» ЭА весной 1999 г. по результатам исследования ОК «Мир» 214
4.4 Исследование возможности появления возвратных наклонных траекторий зондирующих радиолучей в условиях модели IRI 216
4.5 Анализ следов невертикального распространения при отражении и рефракции только от плотных слоев ионосферы 219
Выводы 229
5 Дополнительные возможности радиозондирования с низких высот по регистрации ионосферных неоднородностей. Использование результатовэксперимента в параллельных исследованиях 231
5.1 Воздействие ракетной техники на ионосферу Земли по результатам радиозондирования с орбитального комплекса «Мир» 231
5.2 Адаптация ионосферной модели на основе метода кригинга для решения практических задач. Расчет карты критических частот 237
5.3 Региональная экстраполяция данных радиозондирования ионосферы с ОК «Мир» совместно с данными наземных ионосферных станций с использованием модели IRI 244
5.4 Использование результатов радиозондирования с ОК «Мир» в исследованиях других авторов 250
Выводы 255
Заключение 257
Выводы и рекомендации
- Математическая модель неоднородной концентрации электронов в ионосфере, основанная на введении функции распределения концентрации электронов в ионосфере
- Траекторный синтез ионограмм на основе метода с использованием правила Снелиуса в рамках слоистой модели ионосферы
- Расчет профиля электронной концентрации по следам отражения о- и z-компоненты от ионосферы
- Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» во время суточного сеанса 31 марта-1 апреля 1999г
Введение к работе
Актуальность исследований, проведенных в диссертационной работе, обусловлена необходимостью и возможностью расширения потенциала метода вертикального радиозондирования ионосферы со спутников как за счет изменения высоты расположения ионозонда, так и за счет разработки новых методов интерпретации и обработки ионограмм и их последовательностей.
Метод вертикального радиозондирования ионосферы с наземных и бортовых ионосферных станций является одним из основных методов контроля ионосферы. В настоящее время он не только не утратил своего ведущего положения в системе методов диагностики состояния ионосферы, но и явился значимой частью создаваемой и воссоздаваемой системы оперативного мониторинга геофизической обстановки над территорией Российской Федерации. Основная задача системы мониторинга – проведение наблюдений за состоянием атмосферы, ионосферы и околоземного космического пространства с целью обеспечения заинтересованных федеральных органов исполнительной власти и организаций текущей, прогнозной и экстренной информацией о геофизической обстановке. Полноценный мониторинг геофизической обстановки невозможен без использования широкого комплекса космических наблюдательных средств. Цель создания космического сегмента системы мониторинга геофизической обстановки – получение регулярной информации о состоянии параметров околоземной космической среды бортовыми средствами в спокойный период и в условиях возмущений природного и антропогенного характера. Для реализации указанной цели космический сегмент должен измерять физические характеристики окружающей среды, контролировать ее структуру, определять изменения параметров происходящих процессов и прогнозировать направление их развития.
Настоящее исследование представляет развитие метода вертикального радиозондирования в свете уменьшения высоты орбиты искусственного спутника Земли (ИСЗ) с ионозондом на борту до высот вблизи и ниже максимума электронной концентрации. Высота проведения экспериментов с ИСЗ по вертикальному радиозондированию ионосферы, а тем более спутникового мониторинга состояния ионосферы исторически обусловливалась разными фактами, как физической составляющей самого эксперимента, так и физическими и экономическими условиями запуска и поддержания на орбите ИСЗ. Об оптимальной орбите спутника с ионозондом на борту до настоящего времени ведутся дискуссии. При этом без сомнения принимается то, что при исследовании ионосферы высоты в окрестности максимума концентрации электронов наиболее интересны с точки зрения практического использования данных для распространения радиоволн.
Поэтому работа, содержащая комплексный анализ результатов спутникового радиозондирования ионосферы с высот вблизи высоты главного максимума электронной концентрации (), которое дополняет и развивает систему методов радиозондирования на область высот ранее неиспользуемую и приносит неизвестные ранее и полезные для науки и практического применения сведения, является актуальной.
Степень разработанности проблемы
Впервые исследования внешней ионосферы в планетарном масштабе были проведены на ионозонде на ИСЗ - «Alouette-1», который начал работу в 1962 году. С его помощью были проведены синоптические исследования внешней ионосферы в пределах полного цикла солнечной активности. «Alouette-1» был запущен перед минимумом солнечной активности и имел почти круговую орбиту с высотой около 1000 км. Основное назначение этого бортового ионозонда сводилось к исследованию ионосферы на высотах больших . Эти измерения создали основу для теоретического осмысливания наблюдаемых явлений.
С тех пор целая серия спутниковых ионозондов - «Alouette-2», «ISIS-1-2», «Explorer -XX», «ISS-1,-2», «Интеркосмос-19», «Космос -1809» и др. - принесла огромное количество сведений о морфологии земной ионосферы, позволила оперативно строить планетарные карты основных ионосферных характеристик, которые являются одним из наиболее существенных моментов контроля и прогноза состояния ионосферы.
При этом ИСЗ «Alouette-1», «ISS -1,-2» имели полярные или близкие к ним орбиты. «Космос-1809» и «ISIS-2» летали на аналогичных орбитах с высотой 900 км и 1400 км соответственно. Орбиты спутников «Alouette-2», «ISIS-1», «Интеркосмос-19» были эллиптическими: 500-3000 км, 570-3550 км и 500-1000 км, соответственно. Ни один из спутников с ионозондами на борту систематически не опускался ниже высоты максимума слоя F2. В последние годы появились интересные публикации о том, что ИСЗ «Интеркосмос-19» в отдельные моменты в области ярко выраженной экваториальной аномалии мог опускаться ниже высоты .
Вертикальное зондирование с борта космических аппаратов (КА) на первых порах не позволяло контролировать структуру ионосферы ниже высоты ее главного максимума, т. е. именно той области ионосферы, данные о которой наиболее необходимы для решения практических задач, связанных с распространением радиоволн.
В эксперименте на ИСЗ «Интеркосмос-19» были реализованы идеи трансионосферного зондирования. Результаты этого исследования показали возможность получать информацию о структуре ионосферы вблизи максимума слоя F2 на основе просвечивания ионосферы насквозь вблизи границы её радиопрозрачности. Была высказана гипотеза о том, что информацию об основных параметрах области F2 (критической частоте ионосферы – и высоте максимума концентрации электронов - ) можно получать, располагая ионозонд на любых высотах ионосферы, включая высоту её максимума плотности электронов.
Эксперимент, проведенный с использованием ионозонда, установленного на орбитальном комплексе (ОК) «Мир», летавшем на высотах 340 – 400 км, стал первым в мире экспериментом по радиозондированию ионосферы со столь низких высот. Эти высоты сравнимы с , и, следовательно, ОК «Мир» в процессе движения по орбите менял свое положение относительно максимума концентрации электронов в ионосфере, пересекал его и определенное время находился ниже максимума. Цифровые данные по радиозондированию с ОК «Мир» были получены в августе 1999 года после возвращения их на Землю космонавтами. Первоначальный анализ этих данных сразу показал необходимость их глубокого изучения для выяснения основного вопроса - является ли радиозондирование с этих высот столь же эффективным средством исследования ионосферы, как и зондирование с высоты 1000 км, а также какие оно дает новые возможности и перспективы. Ранее подобных работ, основанных на экспериментальном материале, не проводилось.
Целью настоящей диссертационной работы является развитие теории и практики непрерывной диагностики состояния ионосферы вдоль орбиты ИСЗ, предназначенной как для научных исследований, так и для решения задач оперативного контроля геофизической обстановки, посредством радиозондирования ионосферы со спутников на сверхнизких орбитах.
Реализация поставленной цели достигается на основе решения следующих задач:
обоснование целесообразности применения радиозондирования со спутников с высотой орбиты, сравнимой с высотой главного максимума концентрации электронов ионосферы, для обеспечения непрерывного исследования высотного распределения электронной концентрации ионосферы вдоль орбиты ИСЗ;
морфологический анализ и классификация экспериментального материала, полученного в результате радиозондирования ионосферы с ОК «Мир»;
разработка алгоритмов расчета характеристик многочастотного распространения радиоволн, в частности, частотных зависимостей действующих дальностей траекторий, возвращающихся на спутник;
апробация программ реконструкции пространственных распределений электронной концентрации ионосферы Земли по результатам спутникового радиозондирования с ОК «Мир»;
разработка новых типовых методов обработки нестандартных ионограмм с дополнительными следами отражений и их последовательностей, интерпретация и обоснование причин их появления;
разработка методов восстановления профилей электронной концентрации по следам трех компонент магниторасщепленного сигнала в окрестности максимума электронной плотности;
разработка рекомендаций для практической реализации данных радиозондирования с низкоорбитальных спутников и станций наземного зондирования для их локальной экстраполяции в районах, прилежащих к местам проведения экспериментов на основании соотношений планетарного распределения электронной плотности, заложенных в международную эмпирическую модель ионосферы.
Объект исследования – спутниковое радиозондирование ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов.
Предмет исследования – ионограммы спутникового радиозондирования ионосферы из окрестности главного максимума, как средство определения электронной пространственной структуры ионосферы.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Эмпирической основой для решения поставленных задач стали результаты натурного эксперимента по спутниковому радиозондированию ионосферы с использованием ионозонда ионосферной станции АИ-804, установленного на ОК «Мир» с высотой орбиты близкой к 350 км. Для анализа использовались экспериментальные ионограммы в цифровой записи, полученные с ОК «Мир», результаты наземного радиозондирования, использованные для сравнения со спутниковым экспериментом, результаты томографического исследования ионосферных разрезов по данным сигналов спутников системы NNSS в цепочке ионосферных станций Италии, карты полного электронного содержания по данным Мирового Центра Данных (WDC). Кроме этого использовалась эмпирическая модель ионосферы IRI-2001. Методологической основой для математического моделирования и интерпретации результатов эксперимента явились современные методы вычислительного эксперимента при задании характеристик ионосферы на основе коррекции международной модели с внесением внутренних горизонтальных возмущений электронной плотности. Решение задач осуществлялось с использованием апробированных методов теории распространения радиоволн в ионосфере, методов математического анализа, математической физики, математической статистики. Теоретической основой диссертации стали работы по ионосфере и распространению радиоволн Я. Л. Альперта, Ф. Б. Черного, К. Девиса, Г. Байнона, Дж. А. Ратклиффта, А. А. Намгаладзе, М. П. Долуханова и др., работы А. Н. Тихонова по обоснованию метода математического моделирования, работы Н. П. Данилкина, П. Ф. Денисенко, О. А. Мальцевой, И. И. Иванова по определению пространственных и временных характеристик ионосферы по данным наземного, спутникового и трансионосферного радиозондирования, работы Дж. Титериджа по методам расчета зависимостей электронной концентрации ионосферы от высоты, работы М. Д. Флигеля по анализу сложных ионограмм траекторными методами, работы Д.С. Лукина, Ю. А. Кравцова, Ю. И. Орлова, Р. С. Лоуренса, Д. Дж. Пасакони по методам расчета траекторий распространения радиолуча в ионосфере и др. Обработка ионограмм осуществлялась в соответствии с рекомендациями международного Радиосоюза, изложенными в «Руководстве URSI по интерпретации и обработке ионограмм», а также индивидуальными рекомендациями, выданными по данному эксперименту Филом Вилкинсоном главным редактором специального бюллетеня по обработке, публикации и анализу новых ионограмм.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяется использованием адекватного математического аппарата, согласованностью результатов вычислительных экспериментов с результатами натурных исследований и результатами теоретического анализа, соответствием полученных экспериментальных данных с данными других исследований, а также выводами других авторов.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Установлена эффективность метода радиозондирования с высот близких к 350 км в определении основных параметров ионосферы, состоящая в том, что данный метод позволяет вычислять высоту расположения максимума ионосферы и величину концентрации электронов в нем не менее уверенно, а во многих случаях и с меньшей погрешностью, чем радиозондирование с других высот, а так же в том, что полученные данные по критической частоте слоя F2 могут быть использованы не только в точках зондирования, но и экстраполированы на области в окрестности орбиты ИСЗ.
-
Предложено объяснение ионограмм с задержанными нижними следами с высот ниже главного максимума ионосферы, и разработан метод обработки отдельных ионограмм и их последовательностей. Объяснение состоит в том, что наличие на ионограммах задержанных нижних следов (ЗНС) с большими групповыми задержками вызывается наклонным распространением радиоволн многих частот с отражением от Земли и возвращением на ИСЗ вследствие рефракции на резких горизонтальных градиентах концентрации электронов. Статистически показано, что появление таких ионограмм свойственно районам склонов гребней экваториальной аномалии даже при спокойной геомагнитной и геодинамической обстановке.
-
Доказана возможность существования критической частоты z-компоненты магниторасщепленного сигнала при радиозондировании из окрестности максимума концентрации электронов ионосферы и возможность использования следа z-моды при расчете вертикальных профилей концентрации.
-
Выявлена способность метода радиозондирования с высот близких к 350 км регистрировать крупномасштабные неоднородности ионосферы Земли в окрестности орбиты, состоящая в появлении аномальных следов на ионограммах при прохождении ИСЗ вблизи ионосферных неоднородностей различного происхождения.
-
Высказана гипотеза о возможности образования области повышенной электронной плотности весной в полуночные часы в районах экваториальной аномалии. Предположение состоит в том, что весной в полуночные часы в восточном полушарии на широтах ~30 - 35 N наблюдается резкий рост плазменной частоты, сменяющийся повышением высоты максимума концентрации электронов и появлением ЗНС на ионограммах, что свидетельствует о существовании крупномасштабной области повышенной электронной плотности.
Научная новизна результатов исследования:
впервые обоснована практическая целесообразность применения низкоорбитальных спутников в космическом сегменте системы исследования ионосферы, отличающаяся тем, что низкоорбитальные КА могут с одной стороны выполнять функцию пополнения базы данных главных параметров ионосферы, создаваемой различными сегментами структуры ионосферного мониторинга, а с другой стороны быть средством для обнаружения резких горизонтальных градиентов концентрации электронов;
на основе морфологического анализа и классификации результатов радиозондирования с ОК «Мир» установлены новые частотно-высотные характеристики ионосферы, которые определяются по ионограммам спутникового радиозондирования (действующая дальность ЗНС на наибольшей частоте его существования, критическая частота z-моды и новое взаимное расположение частоты отсечки о-компоненты и наименьшей частоты отражения от Земли);
впервые было обнаружено новое физическое явление, которое состоит в том, что радиозондирование с высот ниже максимума ионосферы в районе экваториальной аномалии приводит к образованию ранее неизвестного тракта наклонного распространения радиоволн в широком диапазоне частот с возвращением на ИСЗ;
впервые было показано, что это явление находит отражение на спутниковых ионограммах в виде ранее неизвестного следа характерной формы, отличающегося непрерывностью и большими монотонными возрастающими по частоте групповыми задержками. След получил название «задержанный нижний след» (ЗНС), в англоязычной литературе – (RLT) (INAG Bulletin 2003);
впервые построено крупномасштабное неоднородное распределение электронной плотности, вызывающих появление траекторий радиосигнала, возвращающихся на спутник при наклонном распространении, получены оценки градиентов электронной концентрации;
впервые выявлена и проанализирована последовательность ионограмм, полученных «изнутри» области искусственного ионосферного возмущения, возникшего в результате выброса большого количества химических реагентов в области пролета ОК «Мир», получены оценки размеров возмущения и оценки градиента падения электронной концентрации;
разработаны алгоритмы и апробированы программные средства, предназначенные для определения горизонтального распределения электронной концентрации ионосферы Земли по данным радиозондирования с низколетящих спутников в случае наличия дополнительных следов на ионограммах, отличающиеся тем, что позволяют рассчитывать полный комплекс траекторий радиолучей, распространяющихся от передатчика ионозонда в неоднородной ионосфере и возвращающихся обратно в точку излучения;
впервые были обнаружены следы z-компоненты, достигающие максимума ионосферы, даны теоретические оценки интервала высот, в которых след z-компоненты достигает высоты максимума, обоснована и доказана возможность использования z-моды для расчета Nе(h)-профилей, и проведены соответствующие расчеты, показавшие возможность использования следа z-компоненты наравне со следами о- и х-компонент.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость результатов исследования характеризуется:
обоснованием нового метода спутникового радиозондирования, получившего в литературе название метода внутреннего спутникового радиозондирования;
выдвинутыми автором аргументами, подтверждающими гипотезу о возникновении особого тракта распространения в ионосфере радиоволн многих частот, возвращающихся в точку излучения горизонтальными градиентами электронной плотности;
высказанной гипотезой о существовании области повышенной электронной плотности в районах экваториальной аномалии в полуночные часы в весенний период.
раскрытием существенных проявлений теории z-волны, объясняющих возможность определения критической частоты ионосферы;
выделением новой проблемы, подлежащей последующему исследованию, заключающейся в том, что радиозондирование с высоты максимума позволяет изучать неоднородности ионосферы новым способом.
Практическая значимость результатов исследования определяется:
проделанным в работе анализом экспериментального материала, разработанными методами и проведенными численными исследованиями, которыми было показано, что радиозондирование с низких высот, обладает в большинстве случаев не меньшими возможностями, чем радиозондирование с высоты 1000 км. Тем самым было экспериментально подтверждено, что радиозондирование с целью определения основных параметров ионосферы можно проводить практически с любой высоты расположения КА, что имеет важное практическое значение для организации космического сегмента Ионосферной службы;
исследованием, ранее неизвестного механизма возвращения радиолучей обратно на ИСЗ при наличии ионосферных неоднородностей и построением модели распространения соответствующего многочастотного сигнала. Разработанные модели возвращаемого на ИСЗ многочастотного сигнала нашли применение при изучении пространственной структуры градиентов электронной концентрации, которые во многих случаях являются определяющими при проектировании и использовании систем радиосвязи через ионосферу;
разработкой методов определения пространственной структуры ионосферной неоднородности и построением соответствующих моделей. Эти модели могут быть использованы в расчетах параметров ионосферы, определяющих условия распространения радиоволн;
исследованием распределения электронной плотности в районах экватора весной 1999 года, определением мест расположения максимумов «гребней» экваториальной аномалии, расчетом величин градиентов электронной плотности, возникающих в этих районах;
исследованием состояния ионосферы в районе космодрома Байконур после взлета ракетоносителя «Днепр» с ИСЗ;
разработкой метода использования z-следа в комплексе со следами о- и х-компонент для определения основных параметров ионосферы и Ne(h)-профилей в окрестности максимума электронной концентрации;
разработкой метода использования ионосферной информации, объединяющего данные наземного и спутникового радиозондирования, для построения карт критической частоты ионосферы. Разработанный метод, соответствующие алгоритмы, а также сами карты, могут использоваться при оперативном мониторинге ионосферы, а также при расчетах ионосферного распространения радиоволн.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности 25.00.29 – «Физика атмосферы и гидросферы»
Диссертационная работа является исследованием возможностей метода радиозондирования ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов, направленным на расширение потенциала метода вертикального радиозондирования ионосферы со спутников как за счет изменения высоты расположения ионозонда, так и за счет разработки новых методов интерпретации и обработки ионограмм и их последовательностей.
Область диссертационного исследования включает разработку теоретических основ и методик использования результатов радиозондирования для определения электронной пространственной структуры ионосферы, а также результаты применения этого метода, выраженные в определении строения ионосферы в районах радиозондирования и выявлении физических закономерностей распределений электронной плотности.
Указанная область исследования соответствует формуле специальности 25.00.29 – «Физика атмосферы и гидросферы (физико-математические науки)», а именно пункту 3 – «Строение и физика средней атмосферы (стратосфера, мезосфера), верхней атмосферы (термосфера, экзосфера) и ионосферы, включая влияние ионосферы на распространение радиоволн».
Апробация работы
Основные результаты докладывались и были представлены на ХХ-ХХIII Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Нижний Новгород, 2002 г., Йошкар-Ола, 2005 г., Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2008 г., Йошкар-Ола, 2011 г.), на GA URSI (Амстердам, 2002 г., Дели, 2005 г., Стамбул, 2011 г.), на международных научных конференциях «Излучение и рассеивание электромагнитных волн» ИРЭМВ- (Таганрог, 2007 г., Дивноморское, 2009 г., 2011 г.), на всероссийских открытых ежегодных конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, ИКИ РАН 2011 г., 2012 г.), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли» (Москва, ВНИИЭМ, 2013 г.), на LVI научной сессии, посвященной дню радио (Москва, 2001 г.), международной конференции «Интеркосмос-30» (Москва, 2001 г.), на второй Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Санкт-Петербург, 2004 г.), на 4-ой международной конференции-выставки «Малые спутники. Новые технологии, миниатюризация, области эффективного применения в 21 веке» (Королев, Московская область, 2004 г.), на 10th International Conference on Ionospheric Radio Systems and Techniques (Лондон, 2006 г.), на Nordic HF-10 conference (остров Форе, Швеция, 2010 г.), на 2 международной специализированной выставке «Граница 2000» (Москва, 2000 г.), на второй международной научно-практической конференции «Мировое сообщество в борьбе с терроризмом» (Москва, 2001 г.).
Реализация результатов работы
Результаты работ использовались в научной деятельности ФГБУ «ИПГ»:
2003-2004 г. - тема НИОКР «Разработка научно-технического, методологического и технологического обеспечения ионосферных наблюдений с космических аппаратов, в том числе с обитаемых космических станций». Рег.№ 01.2.00 310232.
2006г. - тема НИОКР «Развитие методов и технологий космических и гелиогеофизических наблюдений» этап «Разработка научно-технической и методической документации на изготовление и установку бортовой ионосферной станции на современные малые ИСЗ и обитаемые космические станции».
2008-2010 г. - тема НИОКР «Усовершенствование модели ионосферного радиоканала, формируемого областью F ионосферы. Исследование трендов различных параметров верхней атмосферы и ионосферы и их согласованности в рамках современной теории образования ионосферы. Развитие методов мониторинга ионосферы с использованием наземно-космических средств. Проведение исследований по программе «Ионосфера». Рег. № 01.2.00 9 51230.
Результаты исследования используются в практической деятельности РКК «Энергия» им. С.П. Королева при обосновании новых космических экспериментов, включенных в долгосрочную программу Роскосмоса.
Результаты исследования используются в научной деятельности ЦНИИ Машиностроения.
Изложенное подтверждается Актами внедрения результатов исследования.
Публикации и личный вклад автора
Всего по теме диссертации опубликовано 61 научная работа, из них 26 статей в журналах, 34 – статьи в материалах конференций либо тезиса к докладам на конференциях, одна статья в энциклопедии.
Основные результаты опубликованы в 14 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций: «Геомагнетизм и аэрономия» – 6 статей, «Известия вузов. Радиофизика» – 4 статьи, «Электросвязь» – 1 статья, «Космонавтика и ракетостроение» – 2 статьи, «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» - 1 статья.
Все основные теоретические результаты, представленные в диссертации, получены лично автором. Обработка первичной информации была проведена лично автором, либо совместно с аспирантами М. Р. Азизбаевым, Р. В. Скоморохом, Д. В. Давиденко. В работах с их участием автору принадлежит также постановка задачи и, в большинстве случаев, выбор метода решения. В частности, под совместным руководством Н. П. Данилкина с автором выполнена кандидатская диссертация М. Р. Азизбаева «Коррекция модели ионосферы по данным спутникового радиозондирования со сверхнизких орбит». Во всех публикациях автор участвовал в постановке задачи, получении, обсуждении и интерпретации результатов. В статьях, написанных совместно с Н. П. Данилкиным, лично автору принадлежат обработка первичной информации и выполненные расчеты, а также равноценное участие в постановке задачи и формулировании основных выводов. В статьях, написанных с М. М. Анишиным, автор использовала программу расчета траекторий, созданную в ЮФУ при активном участии М. М. Анишина. В статье, опубликованной совместно в журнале «Радиофизика. Известия вузов», вклад авторов одинаков. В статьях, написанных совместно с Ю. К. Калининым, автору принадлежит только часть, касающаяся эксперимента на ОК «Мир».
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы и приложений. Она содержит 286 страниц основного текста и 41 страница приложений, 138 иллюстраций, 40 таблиц, список цитируемой литературы из 188 наименований.
Математическая модель неоднородной концентрации электронов в ионосфере, основанная на введении функции распределения концентрации электронов в ионосфере
Модельная ионограмма внутреннего радиозондирования. На вставке: возможные траектории распространения радиосигнала в плоскослоистой ионосфере, возвращающие его на приемник ионозонда Траектории 1, 5, 9 показывают распространение, соответственно, о-, х-, z-компонент магниторасщепленного луча при движении от ИСЗ до высоты максимума и обратно. Траектории 2, 6 иллюстрируют распространение, соответственно, о-, х-компонент магниторасщепленного луча при движении от ИСЗ до Земли и обратно. Траектории 3, 7 демонстрируют распространение, соответственно, о-, х-компонент магниторасщепленного луча при движении от ИСЗ до Земли, отражении, распространении до высоты максимума, вторичном отражении и возвращении на ИСЗ. И наконец, траектории 4, 8 демонстрируют более сложную схему распространения, соответственно, о-, -компонент магниторасщепленного луча: от ИСЗ до высоты максимума, затем до Земли, отражении, вторичном распространении до высоты максимума, отражении и возвращении на ИСЗ. Более сложные траектории при многократном отражении не рассматривались, так как предполагалось полное поглощение сигнала при таком распространении. Как видно большое количество диагностирующих среду лучей проходит при этом именно в интересующей нас области.
На ионограмме (зависимости действующей дальности h от частоты) фиксируются следы всех компонент магнитнорасщепленного сигнала, вернувшихся на приемник после отражения от различных слоев ионосферы на каждой частоте зондирования.
Следы на моделируемой инограмме от сигналов, распространяющихся по каждой из траекторий, представлены на рисунке 1.1. Обратим внимание, что следы отражения от ионосферы (1, 5, 9) существенно короче, чем аналогичные следы при внешнем зондировании. Частоты, на которых начинаются следы 1 и 5 совпадают с частотами разворота следов отражения от Земли - 2 и 6. Для обыкновенной компоненты эта частота является плазменной частотой на высоте спутника fs. Частоты, к которым асимптотически стремятся следы отражения от ионосферы 1 и 5, являются критическими частотами слоя F2, соответственно, для обыкновенной и необыкновенной компоненты — foF2 и fxF2. К этим же частотам стремятся следы 3 и 4 для обыкновенной компоненты и 7 и 8 для необыкновенной компоненты. 1.1.2 Построение математической модели радиозондирования ионосферы с нарастающей горизонтальной концентрацией электронов
В начальном этапе исследований для доказательства возможности существования регулярных следов, отличных от рассмотренных выше следов отражения от ионосферы и Земли, для рассматриваемой модели был предложен подход [83, 87], основанный на следующих предположениях и упрощениях: ионосфера является изотропной средой и делится на слои равной концентрации электронов. Границы слоев имеют уравнение: zt(x)-b = Arexp(-( g) ) + Ah-(i-k) (1.1) где / - номер слоя от начала ионосферы; (а, Ъ) - координаты условного центра неоднородности; к - общее количество слоев от начала ионосферы до центра неоднородности; Ah - толщина слоя с одинаковыми параметрами; Д = D \к - i\, коэффициенты ,- у симметричных относительно центра неоднородности слоев одинаковы; А{=-А + (к-і) , для слоев ниже центра неоднородности, коэф фициенты 4 у симметричных слоев равны по абсолютной величине и противо положны по знаку. A, D - параметры неоднородности, подбираемые в результате численного эксперимента. Внутри возмущения увеличение электронной плотности моделируется дополнительными эллиптическими слоями с центром эллипса в «центре» неоднородности.
Линии изоконцентрации, изображенные на рисунке 1.2, определяют направление градиента концентрации, как вектора нормали к ним. Величина концентрации в каждом слое одинакова, и ее значение находится из А -профиля на вертикали под спутником. Таким образом, каждой точке пространства ставится в соответствие значение величины концентрации электронов, а так же направление ее градиента как вектора нормали к линиям изоконцентрации. Величина градиен 27 та определяется заданием концентрации электронов в каждом слое. На расстоянии от ИСЗ до условного «центра» (светлая область рисунок 1.2) неоднородности данную математическую модель распределения можно рассматривать как модель распределения электронной концентрации в изотропной ионосфере с положительным горизонтальным градиентом.
Траекторный синтез ионограмм на основе метода с использованием правила Снелиуса в рамках слоистой модели ионосферы
При выборе между двумя гипотезами внутреннего строения макронеоднородности, следует отчетливо понимать, что ионограммы с ЗНС доказывают существование горизонтального градиента с постоянно увеличивающейся электронной концентрацией только в том пространстве ионосферы, которое пронизывают исследующие ионосферу лучи с постоянно увеличивающейся частотой, - зона «а» на рисунке 1.12. Только в этом пространстве последующее трассирование радиолучей может быть использовано для определения параметров горизонтального градиента электронной концентрации.
Второй также очень характерной особенностью ЗНС является непрерывность перехода от следа отражения от Земли к самому ЗНС. Ни на одной ЗНС ионограмме не было замечено разрывов, которые характерны для разрывов в действующих высотах или глубинах, возникающих при радиозондировании на долинах или хотя бы на резких перегибах в монотонном нарастании (или убывании) электронной концентрации. Это означает, что от кратных сигналов 3, 7 из рисунка 1.1, а также двукратных 4 и 8, если и возникают ЗНС, то только в крайне ограниченной полосе частот. В целом же весь ЗНС правильнее, считать следствием наклонного распространения и возвращения на ОК радиоволн, происходящего вследствие влияния горизонтальной неоднородности электронной концентрации. is МГц начале этого участка (19,22 N, 116,81 Е, высота 353,72 км, время 18:26:08 MB), в) -ионограмма с ЗНС, полученная в конце этого участка (31,09 N, 128,15 Е, высота 354,25 км, время 18:30:16 MB), г) - инвертированные ионограммы с выделенными следами отражений
Длительность существования ЗНС. Особенностью ионограмм с ЗНС является длительность их непрерывного существования на последовательности ионограмм. При этом конкретные параметры ионосферы, определяемые по этим ионограммам, могут изменяться весьма значительно. На последовательности ионограмм можно проследить процесс формирования и разрушения ЗНС. На первых ионограммах последовательностей ЗНС короткий, не ярко выраженный, более рассеянный. Далее этот тракт продлевается на весь интервал зондирования и четко определяется, и в конце становится не четко выраженным, но прослежива 54 ющимся на большом интервале частот. На рисунке 1.13 а) показана проекция траектории движения ОК «Мир» на поверхность Земли, и выделен район существования ЗНС на ионограммах. Здесь же приведены две реальные ионограммы в начале (рисунок 1.13 б) и в конце (рисунок 1.13 в) периода времени существования ЗНС. Для удобства интерпретации ионограмм на фрагменте рисунка 1.13 г) помещены те же ионограммы в инвертированном виде с четко прорисованными следами. В рассматриваемом сеансе ЗНС ионограммы в количестве 37 штук в непрерывном (8-секундном) режиме были зафиксированы с 18:25:52 до 18:30:48 MB, что соответствует местному времени с 23:30 до 24. За это время станция прошла 2,5 -10 км. Параметры ионосферы в начале и в конце этого длительного сеанса резко отличались. Весь этот период ОК «Мир» находился ниже высоты hmF2 величины f0F2 и f0s в начале и конце рассматриваемой серии существенно менялись.
Говоря о непрерывности и монотонности следа ЗНС, нужно отметить, что на некоторых ионограммах в начале последовательности ионограмм с ЗНС, где след только начинает формироваться эти наблюдения были несправедливы, на этих ионограммах ЗНС не являлся монотонным.
Моделирование показывает, что ЗНС следует рассматривать как эффект попадания зондирующего луча в область с резким изменением электронной плотности, причем существенное изменение концентрации электронов вдоль орбиты спутника может являться этому подтверждением. На данной стадии изучения эффекта ЗНС следует продолжать накопление экспериментальных фактов, трактуя причину ЗНС не как неоднородность с известными размерами, а как горизонтальный градиент электронной концентрации, параметры которого по высоте и по горизонтальной дальности, могут быть вычислены. Эти вычисления основаны на траекторном синтезе ионограмм [85] и могут быть проведены для каждой качественной ионограммы. 1.6 Аппаратурная регистрация положения ионозонда относительно максимума ионосферы. Последовательность ионограмм, пересекающих максимум
Вопрос определения расположения ионозонда относительно максимума ионосферы является для радиозондирования с ОК «Мир» вопросом весьма существенным. Высота максимума ионосферы является основным параметром и его определение наземными установками достаточно сложно. Он надежно решается только в ракетных измерениях или в модифицированных ионозондах наземного радиозондирования, в которых используются не только групповые задержки сигналов. Поэтому достоверное аппаратурное определение относительного положения ионозонда к положению максимума ионосферы, а также последующее более точное определение высоты этого максимума есть достоинство метода зондирования с низких орбит.
Рассмотрим принципы ионограммного определения расположения ионозонда относительно максимума ионосферы. На рисунке 1.14 рассмотрены три положения ионозонда относительно максимума: выше максимума (а), в максимуме (б) и ниже максимума (в).
Если ионозонд находится выше максимума ионосферы, то радиоволны диапазона частот между плазменной частотой ионосферы на высоте OK —f0s и f0F2 распространяются вниз от ОК, отражаются от высот больших hmF2 и возвращаются вверх на спутник. В этом случае ионограмма есть классическая ионограмма внешнего зондирования с сильно сокращенным следом отражения от внешней ионосферы.
Ее схематическое изображение приведено справа на рисунке 1.14 а. При этом foF2, определенная по отражению от ионосферы, и f0F2, определенная по наименьшей частоте отражения от Земли, должны быть одинаковыми и при хороших ионограммах должны выходить на одну и ту же вертикальную линию для обоих магниторасщепленных лучей радиозондирования. В положении ионозонда ниже максимума радиоволны диапазона между f0s и fQF2распространяются от ОК вверх, но на ионограмме их следы находятся в том же месте, что и в преды 56 дущем случае. Однако минимальная частота отражения от Земли и /QF2 В этом случае не совпадают, это хорошо видно на нижней модельной ионограмме справа (рисунок 1.14 в). Именно это несовпадение частот является наиболее ярким и легко отличимым свидетельством нахождения ОК ниже максимума ионосферы. Минимальная частота отражения от Земли будет равна плазменной частоте на высоте спутника. На этой же ионограмме приведен характерный ЗНС для обыкновенного и необыкновенного лучей. След необыкновенного луча показан штриховой линией, так как уверенного свидетельства именно о таком ходе необыкновенного луча эксперимент не выявил. Как правило, необыкновенные лучи в ЗНС были очень слабыми или отсутствовали совсем. Во многих случаях ЗНС были ограничены диапазоном действующих высот, который мог регистрировать ионозонд. Создавалось впечатление, что они могли бы продолжаться и дальше. 4ч
Расчет профиля электронной концентрации по следам отражения о- и z-компоненты от ионосферы
Состояние магнитосферы описывается рядом различных индексов, рассчитываемых на основании наземных измерений магнитного поля. Для конструиро 81 вания индексов используются показания различных сетей магнитных станций, то в них оказываются включенными отклики различных магнитосферно-ионосферных токовых систем. Для того чтобы изучать связь магнитных бурь с различными явлениями и исключить из анализа авроральные явления (магнитные суббури), необходимо использовать Dst-индекс, для которого берутся измерения экваториальных станций. Dst-индекс представляет собой осесимметричную относительно геомагнитного диполя компоненту возмущенного магнитного поля и определяется на основе измерений магнитного поля на четырех приэкваториальных станциях: Сан-Хуан, Херманус, Какиока, Гонолулу. Процедура вывода Dst-индекса описана в [169]. На каждой станции для каждого часа мирового времени определяется величина возмущения магнитного поля, связанного с состоянием межпланетной среды. Для этого, из горизонтальной компоненты магнитного поля, измеряемого на каждой станции вдоль меридиана (Н компонента), исключаются вековые вариации геомагнитного поля (Hbase) и солнечно-суточная вариация Sq, порожденная ионосферной двухвихревой токовой системой расположенной в окрестности полуденного меридиана. Dst определяется как среднее по долготе возмущение, приведенное к экватору. Для исследований влияния аврорального электроджета на различные системы лучше использовать специальный АЕ-индекс, включающий измерения высокоширотных станций в области полярного овала. Наиболее часто используемый Кр-индекс строится на основании измерений магнитных станций в широком диапазоне широт, и он чувствителен к обоим явлениям и не позволяет исследовать отдельно влияние каждой токовой системы, отдельно влияние магнитных бурь и суббурь [61].
Для выяснения влияния геомагнитной обстановки на появление ЗНС на ионограммах был проведен также анализ трехчасовых К-индексов геомагнитной активности, а так же суточных Ак- индексов - суточных индексов локальной геомагнитной активности [13, 120]. Поскольку магнитные возмущения проявляются по-разному в различных местах на земном шаре, исследовались (известные автору) данные обсерваторий, наиболее близко расположенных к местам регистрации ЗНС. Качественно состояние магнитного поля в зависимости от Кр-индекса можно приблизительно охарактеризовать следующим образом [61, 118] (таблица 1.18): Таблица 1. К =2 и менее спокойное К=2...3 слабо возмущенное К=4 возмущенное К=5...6 магнитная буря К =7 и более большая магнитная буря 3-часовой индекс "эквивалентной амплитуды" локальной геомагнитной активности "а" соотносится к 3-часовому К - индексу согласно следующей шкале (Таблица 1.19) [61]. Ак является суточным индексом локальной геомагнитной активности, вычисленный как среднее из восьми 3-часовых индексов ак.
Известно, что изменения как солнечной активности [31], так геомагнитной обстановки воздействует на параметры ионосферы и во многих работах исследуется ее влияние как фоновую ионосферу, так и на появление нерегулярных структур [28]. В работе [76], например, исследуются вариации параметров ЭА в спокойные периоды времени и во время геомагнитных возмущений.
Проследим, является ли наличие геомагнитных возмущений причиной появления ЗНС на ионограммах. Изменения Dst-индекса в марте-июне 1999 г. приведены на рисунке 1.29. На осях времени выделены дни проведения экспериментов по радиозондированию. Во все дни работы ионозонда на ОК «Мир» геомагнитная обстановка была спокойна. Можно выделить только 2 марта, когда фиксировалась 2 стадия магнитной бури.
Изменение Dst-индекса в марте-июне 1999 г. На осях времени выделены дни проведения экспериментов по радиозондированию Трехчасовые К- индексы и АЕ индексы в исследуемые дни представлены в таблице 1.20. Анализ индексов показывает, что в подавляющем большинстве случаев геомагнитная обстановка была слабо возмущенной, либо, реже, возмущенной, но без магнитных бурь. Исключение составляет 10 марта 1999 года. Этот день характеризуется магнитными бурями К = 4 5. Однако, исследования 10 и 11 марта проводились над близкими районами Южной Америки, параметры ионосферы, определяемые по ионограммам в этих районах, мало отличаются. 11 марта геомагнитная обстановка была слабо возмущенной, К = 3 (таблица 1.20).
Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» во время суточного сеанса 31 марта-1 апреля 1999г
Еще до появления спутникового зондирования z-компоненту наблюдали при зондировании с Земли. В [125] говорится, что появления следа z-компоненты на наземных ионограммах имеет место там, где волны, распространяясь вдоль магнитного поля, достигают уровня условия отражения (3.2) «из-за связи между составляющими на тех уровнях высоты, где велика частота соударений или при рассеивании волны неоднородностями, или при отражении от наклонных слоев, когда слои оказываются перпендикулярными силовым линиям магнитного поля». Более четкие следы z-компоненты появляются, когда магнитное наклонение становится близким к вертикали, т. е. на высоких геомагнитных широтах. Z-составляющая часто наблюдается на низкочастотных ионограммах ночью на частотах ниже гирочастоты [126].
Существует несколько объяснений причин появления z-волны [125, 158]. Так, например, по мнению Эллиса [158] импульс, падающий на ионосферу, расщепляется на обыкновенную и необыкновенную волны, и вертикально движущаяся необыкновенная волна отражается от уровня, где выполнено условие (3.3). Z-волна возникает как часть обыкновенной волны при наклонном падении на ионосферу под углом і. Где угол і - это угол между поверхностью Земли и направлением вылета луча при наклонном зондировании. Обыкновенная волна по мере движения в ионосфере преломляется, и на уровне с показателем преломления п волновая нормаль образует угол р с вертикалью равный sin / = п sin q . При определенном значении і может оказаться, что на уровне X = 1 направление волновой нормали р совпадает с направлением рн вектора магнитного поля Земли. На этом уровне волна не отражается, как при вертикальном распространении, а продолжает подниматься, пока не будет выполнено условие (3.2).
В [145] авторы также свидетельствуют, что если при наземном зондировании на некоторой высоте частота луча равна плазменной частоте, и в этот же момент нормаль о-волны коллинеарна направлению магнитного поля, кроме того, частота столкновения электронов достаточно велика, то энергия о-луча может быть преобразована в z-волну.
Схематически наземные ионограммы, фиксирующие тройное расщепление имеют вид, изображенный на рисунке 3.2 [125]. Z/Г 1 О, XJ J й JH -
В [162] отмечается, что z-компонента - левополяризованная волна на частотах ниже/, и правополяризованная волна на частотах выше . Более подробно с поляризацией волн можно ознакомиться в [70, 105]. При нахождении ионозонда в ионосфере для распространения z-волны преобразования не требуется, так как выполняются все условия связи между компонентами для расщепления волны. При проведении эксперимента по радиозондированию со спутника с высотой орбиты существенно большей высоты hmF2 на ионограммах появляются следы всех трех компонент магниторасщепленного сигнала рисунок 1.5. Максимальная частота распространения z-компоненты обозначается/ /. Это частота, при которой величина X принимает значение Xz (3.1). На рисунке 1.5 приведен пример ионограммы, полученной при внешнем спутниковом зондировании с высот порядка 1000 км [126].
При зондировании с высоких орбит спутников при движении необыкновенной компоненты магниторасщепленного сигнала вниз значение параметра X уве 145 личивается, оставаясь в интервале (X/, 1+7), и, в конце концов, на некоторой высоте достигает величины \+Y (несмотря на то, что Y тоже является переменной величиной). На этой высоте z-компонента отражается и возвращается к ионозон-ду, оставляя свой след на ионограмме. На большей частоте зондирования, величина параметра X(Xe(Xz; l+Y)) на высоте спутника меньше, следовательно, величины 1+Г сигнал достигает за большее время, следовательно, действующая дальность следа z- компоненты увеличится, по сравнению с предыдущей частотой. Особенно это увеличение будет существенно в малой окрестности Х2. Так будет происходить до тех пор, пока параметр X не примет значение Xz. В этом случае фазовый показатель преломления становится равным бесконечности, и распространение необыкновенного сигнала становится невозможным. Бесконечно большое значение показателя преломления означает не условие отражение, как считалось по некоторым гипотезам [125], а является следствием, по мнению авторов [145], «бесконечно большого запаздывания на антеннах ионозонда».
Однако если ионозонд находится на малых высотах над максимумом концентрации ионосферы или ниже его с увеличением частоты зондирования z - компонента достигает высоты максимума и отражается от него, а на больших частотах проходит во внутреннюю ионосферу и не возвращается на спутник (так как ниже максимума плотность электронов уменьшается, следовательно, параметр X начнет уменьшаться). Таким образом, след z - компоненты с увеличением частоты зондирования заканчивается на критической частоте fzF2 и не достигает той частоты, при которой параметр X становится равным Xz. Это явление в очень редких случаях было зафиксировано уже на высокоширотных ионограммах «Alouette-2», когда спутник находился вблизи перигея (высота 500-600 км) [178, 145], однако публикации подобных ионограмм в этих и аналогичных работах не приводились, по крайней мере, автору они неизвестны.
Эксперименты по радиозондированию с низких высот на ОК «Мир» подтвердили такое поведение z — компоненты. Ионограммы со следами z — компоненты были получены почти во всем широтном диапазоне орбиты ОК «Мир», включая экваториальную область и область экваториальной аномалии. Таким об 146 разом, опровергнуто мнение о возможности существования z - компоненты только на высоких широтах при продольном распространении сигнала. На малом количестве ионограмм след z-компоненты отличен от поведения х- и о- компонент и достигает fzI, как, например, на ионограмме 784 (рисунок 3.3), полученной
21 апреля 1999 г. в точке (42,22; 48,26) на высоте 348,1 км в 13:07:08 MB. В большинстве случаев при зондировании с ОК «Мир» поведение всех трех компонент идентичны и заканчиваются на своих критических частотах. км fj 3 4 5 6 7 1 8 foS МГц їх .3 1 І 9 10 Рисунок 3.3 - Ионограмма с ОК «Мир» с следом отражения от ионосферы z- компоненты, который достигает частоты fzI В [89] впервые опубликованы ионограммы со следами z-лучей, достигающих максимума области F. На рисунке 3.4 представлены несколько ионограмм с различными следами отражения, в том числе и со следами z — компоненты. На фрагментах а) и в) радиозондирование проводилось с высот выше hmF2, а на фрагментах б) и г) ниже высоты максимума электронной концентрации. Ионограмма с рисунка 3.4 г представлена на рисунке 3.5 в инвертированном виде, на ней более четко прорисованы характерные следы, указаны те же частоты, что и на рисунке 3.4.
