Содержание к диссертации
Введение
Часть I. Исследование неоднородной структуры верхней ионосферы средних широт с помощью радиозондирования ее сигналами ИСЗ и спектрального анализа принимаемых сигналов 47 Глава 1. Неоднородности электронной концентрации среднеширот ной ионосферы 47
1.1. Краткий обзор исследований неоднородной структуры верхней ионосферы (по результатам наземных наблюдений за сигналами ИСЗ в 50-х - 90-х годах XX века в естествен ных условиях и при модификации ионосферы мощным KB излучением) 47
1.2. Основные модели спектров мелкомасштабной плазменной турбулентности верхней ионосферы. Достоинства и недос татки спектрально-корреляционного подхода в исследовани ях ионосферной турбулентности 64
1.3. Выводы 70
Глава 2. Некоторые результаты специальных экспериментальныхисследований плазменной структуры среднеширотной ионосферы с помощью радиозондирования ее сигналами орбитальных ИСЗ 73
2.1. Радиоизмерительный комплекс ФГБНУ НИРФИ для диагностики естественной и искусственной ионосферной турбулентности с помощью наземного приема сигналов орбитальных ИСЗ. Спектральная обработка принимаемых сигналов 73
2.2. Измерение спектральных характеристик плазменной турбулентности верхней ионосферы при воздействии на нее мощным KB радиоизлучением 88
2.3. Анизотропная структура искусственной ионосферной турбулентности по результатам специального томографического эксперимента с радиозондированием среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ 95
2.4. Анизотропная структура мелкомасштабной ионосферной турбулентности в возмущенных геофизических условиях 100
2.5. Выводы 108
Часть II. Изучение фрактальной структуры ионосферной турбулентности — новое научное направление в исследованиях неоднородной структуры электронной концентрации верх ней ионосферы 110
Глава 3. Теоретические основы исследований мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ ПО
3.1. О фрактальных свойствах мелкомасштабных ионосферных неоднородностей электронной концентрации. Новый (фрактально - корреляционный) подход к исследованию радиомерцаний сигналов ИСЗ в ионосферной плазме ПО
3.2. Мультистепенной спектр мелкомасштабной ионосферной турбулентности в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным KB радиоизлучением 119
3.3. О фазовом методе исследований мультифрактальной структуры ионосферной и космической плазмы 128
3.4. Некоторые особенности перспективных исследований мультифрактальной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с использованием вейвлет преобразования 133
3.4.1. Метод ММВП: анализ сингулярных мер и сингулярных функций 134
3.4.2. Мультифрактальный анализ сигналов с использованием вейвлет-преобразования 143
3.4.3. Об одной особенности дистанционного зондирования ионосферной турбулентности 149
3.4.4. Об одной особенности исследований тонкой мультифрак-тальной структуры ионосферной турбулентности 154
3.5. Выводы 158
Глава 4. Фрактальная структура развитой мелкомасштабной турбулентности среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным коротковолновым радиоизлучением 160
4.1 Некоторые особенности фрактальной структуры развитой мелкомасштабной ионосферной турбулентности 160
4.2. Мультифрактальная структура перемежаемости развитой ионосферной турбулентности 170
4.3. Об истинных значениях показателей спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности. Мультистепенной спектр плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы 185
4.4. К вопросу о мультифрактальной структуре мелкомасштабной ионосферной турбулентности 193
4.5. Мультифрактальная структура ионосферной турбулентности в аномальных геофизических условиях (во время солнечного затмения 1 августа 2008 г.) 200
4.6. Некоторые особенности фрактальной структуры искусственной ионосферной турбулентности. Мультистепенной спектр плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы при воздействии на нее мощным коротковолновым радиоизлучением 206
4.7. Результаты исследований мультифрактальной структуры ионосферной плазмы с использованием фазового метода 219
4.8. Эффект магнитного зенита и мультифрактальная структура искусственной мелкомасштабной ионосферной турбулентности 225
4.9. Сравнительная характеристика фрактальных свойств мелкомасштабной плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным коротковолновым радиоизлучением 248
4.10. Выводы 253
Глава 5. Фрактальная структура плазменной турбулентности перемещающихся ионосферных возмущений на средних широтах 257
5.1. О мелкомасштабных плазменных неоднородностях перемещающихся ионосферных возмущений 257
5.2. Фрактальная структура мелкомасштабных перемещающихся ионосферных возмущений 269
5.3. Фрактальная структура крупномасштабных неоднородно стей электронной концентрации перемещающихся возмущений в среднеширотной ионосфере
5.4. Выводы 296
Заключение 298
Литература
- Основные модели спектров мелкомасштабной плазменной турбулентности верхней ионосферы. Достоинства и недос татки спектрально-корреляционного подхода в исследовани ях ионосферной турбулентности
- Измерение спектральных характеристик плазменной турбулентности верхней ионосферы при воздействии на нее мощным KB радиоизлучением
- Мультистепенной спектр мелкомасштабной ионосферной турбулентности в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным KB радиоизлучением
- Некоторые особенности фрактальной структуры искусственной ионосферной турбулентности. Мультистепенной спектр плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы при воздействии на нее мощным коротковолновым радиоизлучением
Введение к работе
Актуальность задач исследований
Ионосфера Земли - это природная плазменная лаборатория. Ее неоднородная структура является довольно чувствительным индикатором разнообразных естественных и искусственных возмущений, происходящих в атмосфере Земли и околоземном космическом пространстве. Изучение неоднородной структуры электронной концентрации в ионосфере Земли представляют большой интерес как для фундаментальной науки, расширяя наши представления о процессах, происходящих в магнитоактивной плазме, так и для решения чисто прикладных задач, связанных с проблемами трансионосферной связи, навигации, загоризонтной радиолокации и радиоастрономии. Подобные исследования весьма интенсивно проводились учеными разных стран в 60-90 гг. прошлого столетия после запуска первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) в 1957 г. После обнаружения в начале 70-х годов степенного характера спектра ионосферной турбулентности большое внимание стало уделяться изучению её спектральных характеристик в различных геофизических условиях, в том числе и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением [1*-3*]. Во всех многочисленных ионосферных исследованиях применялись стандартные методы спектрального анализа флуктуирующих сигналов, пригодные для статистической обработки квазистационарных случайных процессов. Ранее такие же методы применялись и в исследованиях атмосферной турбулентности при зондировании ее электромагнитными и звуковыми волнами. В то же время в этих исследованиях активно использовался и метод структурных функций 2-го порядка для определения асимптотического поведения флуктуаций принимаемого сигнала. В результате был установлен квазистационарный характер случайного процесса рассеяния волн в атмосфере Земли изотропной турбулентностью с практически единственным показателем спектра p3 - 11/3, однозначно
связанным с единственным показателем структурной функции (р2 =2/3 простым соотношением p3 = 3 + ^2 [4*-5*].
В исследованиях неоднородной структуры ионосферной турбулентности метод структурных функций практически не использовался. Более того, не было выполнено ни одной работы, в которой бы одновременно определялись структурные функции и спектральные характеристики исследуемого случайного процесса рассеяния высокочастотных радиоволн в ионосферной плазме. В результате многочисленных исследований спектров ионосферной турбулентности стандартными методами спектрального анализа флуктуирующих сигналов были зарегистрированы большие (в несколько единиц) вариации показателей этих спектров в зависимости от условий распространения радиоволн в ионосфере, состояния ионосферы, различных геофизических условий наблюдения и т.п. Но поскольку должный контроль за стационарностью исследуемого случайного процесса в этих работах не проводился, то достоверность полученных сведений о спектральных характеристиках мелкомасштабной ионосферной турбулентности (МИТ) вызывает серьезные сомнения. Кроме того, в рамках классического метода радиомерцаний, применявшегося в этих работах, всегда предполагалось равномерное распределение мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в ионосфере. В то же время, результаты уже первых наших экспериментальных исследований перемежаемости МИТ говорят о том, что МИТ имеет неравномерное фрактальное распределение в пространстве [18, 19].
Первые теоретические и экспериментальные исследования мультифрактальной структуры развитой МИТ были выполнены в [17, 20]. С помощью мультифрактального анализа записей амплитуды сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, была продемонстрирована возможность определения неравномерного фрактального распределения мелкомасштабных ионосферных неоднородностей в пространстве. В [20] впервые в ионосферных исследованиях неоднородной структуры ионосферы было показано, что истинное значение показателя (p3 = 2,7) спектра МИТ, определяемое в результате мультифрактальной обработки записи амплитуды принятого сигнала, может заметно отличаться от его значения (p3 = 3,8), вычисленного по стандартной методике
спектрального анализа для стационарного случайного процесса. Это связано с тем, что в реальных нестационарных условиях рассеяния высокочастотных радиоволн в ионосферной плазме классический метод спектрального анализа радиосигналов не работает и может приводить к существенным ошибкам в определении спектральных характеристик МИТ.
В исследованиях реальной неоднородной структуры ионосферной турбулентности для получения достоверной информации о локальной структуре МИТ как в естественных условиях, так и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением, более корректно использовать мультифрактальный анализ сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, основанный на методах многомерных структурных функций (МСФ) и вейвлет-преобразования (ВП), которые пригодны в условиях нестационарных случайных процессов [5*-9*].
В свете вышеизложенного представляется чрезвычайно актуальным изучение фрактальной структуры ионосферной турбулентности. Данная диссертационная работа и посвящена этой теме. Фактически это новое направление в исследованиях неоднородной структуры околоземной ионосферной и космической плазмы радиофизическими методами. В диссертации рассмотрены теоретические основы исследований мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ. Представлены результаты первых экспериментальных исследований фрактальной структуры ионосферной плазмы как в естественных условиях, так при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением российского нагревного среднеширотного стенда СУРА.
Предложен и апробирован на реальных экспериментальных данных перспективный фазовый метод исследований мультифрактальной структуры околоземной и космической плазмы, основанный на измерении многомерных структурных функций для флуктуаций фазы сигналов, принимаемых от спутников и космических радиоисточников. Фазовый метод может быть использован для получения обширных данных о мультистепенных и мультифрактальных спектрах ионосферной и космической плазменной турбулентности в различных геофизических условиях, для разных географических (и геомагнитных) широт Земного шара, в разное время суток, в условиях развитой гелиоактивности и т.д. Настоящая диссертационная работа может являться основой большого цикла работ в новом научном направлении исследований неоднородной структуры ионосферы - изучении фрактальной структуры ионосферной турбулентности.
Совокупность рассмотренных положений позволяет считать диссертационную тему чрезвычайно актуальной как в части фундаментальных исследований свойств неоднородной структуры ионосферной плазмы, так и в части практического применения для систем трансионосферной радиосвязи, радиолокации и космической навигации.
Целью диссертационной работы является разработка теоретической модели и экспериментальное исследование фрактальной структуры развитой турбулентности среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработка теоретических основ исследований мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования среднеширотной ионосферы сигналами ИСЗ в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Выявление особенностей исследований мультифрактальной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с использованием вейвлет-преобразования.
-
Экспериментальные исследования мультифрактальной структуры среднеширотной развитой мелкомасштабной ионосферной турбулентности в естественных условиях, в том числе в условиях Солнечного затмения. Определение истинных значений показателей спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности и мультистепенных спектров плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы.
-
Экспериментальные исследования мультифрактальной структуры среднеширотной развитой мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности (МИИТ) при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Выявление особенностей мультифрактальной структуры МИИТ в условиях, когда наблюдается эффект магнитного зенита.
-
Экспериментальные исследования фрактальной структуры плазменной турбулентности перемещающихся ионосферных возмущений электронной концентрации на средних широтах.
Научная новизна и практическая ценность. Настоящая диссертационная работа фактически является первой работой в новом научном направлении исследований неоднородной структуры ионосферы - изучении фрактальной структуры ионосферной турбулентности. В диссертации разработан принципиально новый фрактально- корреляционный подход к исследованию флуктуаций сигналов ИСЗ в ионосферной плазме, что позволило получить необходимую информацию об истинных значениях показателей локальных спектров флуктуаций электронной концентрации для изотропной ионосферной турбулентности в естественных условиях и анизотропной мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности, а также определить значения фрактальных размерностей пространства, занятого в ионосфере мелкомасштабными неоднородностями электронной концентрации. Результаты сопоставлены с полученными ранее многочисленными экспериментальными данными о неоднородностях электронной концентрации среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощного КВ излучения. По результатам диссертационной работы сделан вывод о целесообразности проведения развернутых работ в рамках комплексной международной программы перспективных исследований фрактальной структуры ионосферной турбулентности.
В диссертации получены следующие новые результаты:
-
Впервые предложен и экспериментально апробирован фрактально-корреляционный метод определения фрактальной размерности Dn пространства, занятого в ионосфере неоднородностями электронной концентрации, и истинного показателя p3 спектра изотропной мелкомасштабной ионосферой турбулентности по измеряемым в эксперименте фрактальной размерности Da и значению показателя спектра записи амплитуды принимаемого сигнала pA при дистанционном зондировании ионосферы. Получены характерные значения фрактальной размерности Dn пространства, занятого естественными неоднородностями МИТ, и истинные значения показателя p3 спектра.
Проанализированы условия резко неравномерного распределения локальных фрактальных структур МИТ в пространстве.
-
Получены соотношения, связывающие измеряемую в эксперименте фрактальную размерность Da записи амплитуды принимаемого сигнала при дистанционном зондировании ионосферы с фрактальной размерностью Dn пространства, занятого в ионосфере неоднородностями, и значением истинного показателя p2 анизотропного спектра флуктуаций электронной концентрации мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности (МИИТ). Выявлено существенное различие фрактальных размерностей Dn для МИТ и МИИТ даже при одинаковых Da ф 1.
-
Показано, что изотропная локальная структура мелкомасштабной ионосферной турбулентности, описываемая мультистепенным спектром ФN (к), однозначно
определяется набором соответствующих гельдеровских экспонент а из мультистепенного спектра флуктуаций амплитуды сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ после радиопросвечивания ими среднеширотной ионосферы.
-
Показано, что неравномерное распределение в пространстве ионосферных неоднородностей в общем случае характеризуется набором фрактальных размерностей Dn (Pq), а полный мультифрактальный анализ записей флуктуаций фаз принимаемых
сигналов позволяет определить мультистепенной и обобщенный мультифрактальный спектры ионосферных неоднородностей в довольно широком инерционном интервале масштабов от десятков метров до десятков километров по результатам зондирования ионосферной плазмы с борта орбитального ИСЗ.
-
Показано, что в исследованиях неоднородной структуры ионосферной плазмы, равно как и при аналогичных исследованиях неоднородной структуры турбулентности в других природных средах, понятие сингулярной функции может вводиться лишь как некоторая математическая абстракция для упрощенного описания исследуемого мультифрактального процесса. В действительности же мы имеем дело с непрерывными гладкими, хотя и нестационарными случайными (турбулентными) процессами. При статистической фрактальной обработке принимаемых сигналов выявляется истинная мультифрактальная структура исследуемых нестационарных случайных процессов в пределах соответствующих инерционных интервалов этих турбулентных структур. Проанализированы некоторые особенности применения вейвлет-преобразования как локальной сингулярной меры при анализе сложных сигналов.
-
Установлено, что неоднородное пространственное распределение мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации ионосферной плазмы определяет нестационарное поведение структурных функций быстрых флуктуаций амплитуды сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, что непосредственно выражается в специфическом скейлинге этих функций и, соответственно, в мультифрактальных спектрах самих сигналов.
-
Установлено, что в условиях развитой ионосферной турбулентности мультифрактальная структура перемежаемости флуктуаций энергии сигналов, принимаемых с бортов орбитальных ИСЗ, в конечном счете, обусловлена пространственной неоднородностью дисперсии интегральных флуктуаций электронной концентрации, формируемых мелкомасштабными ионосферными неоднородностями на сравнительно больших пространственных масштабах порядка нескольких десятков километров. При этом полученные сведения о форме мультифрактальных спектров флуктуации энергии принимаемых сигналов оказываются справедливыми на всем множестве многомерных структурных функций с произвольными показателями порядка ( q > 0, q < 0).
Применение различных алгоритмов расчетов фрактальных спектров флуктуаций энергии принимаемых сигналов со скользящим усреднением флуктуаций амплитуды на локальных временных интервалах и при обработке с дискретными значениями локальных средних для мощности флуктуаций приводят к заметно различным мультифрактальным спектрам перемежаемости флуктуаций амплитуды принимаемых сигналов. Последнее обстоятельство следует учитывать при построении различных физических моделей мультифрактальных спектров перемежаемости развитой ионосферной турбулентности.
-
Обнаружены существенные различия в поведении показателей мультистепенных спектров неоднородностей и соответствующих обобщенных мультифрактальных спектров ионосферной турбулентности как для разных облаков электронной концентрации ионосферной плазмы с размерами -(200^250) км, так и внутри отдельных облаков для локальной неоднородной структуры с размерами ~ (12^15) км. Результат получен при зондирования среднеширотной ионосферы в сеансах связи с орбитальными спутниками 29.03.2006 г. и 23.08.2005 г. при исследованиях неоднородной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с применением метода многомерных структурных функций при анализе флуктуаций амплитуды сигналов. Это принципиально новый результат в исследованиях неоднородной структуры ионосферной турбулентности.
-
Обнаружено, что во время солнечного затмения 01.08.2008 г. измеренные на разных радиотрассах мультистепенные и обобщенные мультифрактальные спектры мелкомасштабной ионосферной турбулентности в двух сеансах наблюдений на начальной и завершающей стадиях затмения оказались практически идентичными, что может свидетельствовать о довольно большой стабильности неоднородного пространственно- временного распределения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в ионосфере.
-
Установлено, что в отличие от турбулентности естественного происхождения, мультифрактальные характеристики анизотропной искусственной турбулентности, образующейся при воздействии на среднеширотную ионосферу мощным коротковолновым радиоизлучением, свидетельствуют в пользу представления о ней как о довольно упорядоченной неоднородной структуре со сравнительно узким мультистепенным спектром и небольшими вариациями обобщенного мультифрактального спектра электронной концентрации. При этом ширина Ap искомого локального спектра МИТ может быть использована для определения вида этой турбулентности (естественного или искусственного происхождения). Первые экспериментальные исследования МИТ показали, что ширина мультифрактальных спектров сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, составляет величину Ap — 0,3 в естественных условиях и Ap — 0,15 - при модификации ионосферы мощным КВ радиоизлучением, что свидетельствует о довольно упорядоченной неоднородной структуре анизотропной МИИТ.
-
Проведен фрактальный анализ сигнала от орбитального ИСЗ после дифракции его на перемещающихся ионосферных возмущениях (ПИВ). Установлено, что детерминированный хаос в принимаемом сигнале является следствием нелинейного «разрушения» акустико-гравитационных волн (АГВ) в ионосфере Земли. Причем источниками хаотических пространственно-временных неоднородностей электронной концентрации ПИВ, которые и вызывают наблюдаемые слабые хаотические вариации принимаемого сигнала, являются всего лишь несколько (в условиях нашего эксперимента M = 4 ^ 5) квазисинусоидальных волн в структуре ПИВ с некратными собственными частотами и степенным (с показателем p — 2 ) пространственным спектром. Обнаружено, что фрактальная структура мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ПИВ с размерами l — (1 -И0) км имеет особенности. Рождающиеся при
нелинейном «разрушении» АГВ в ионосфере мелкомасштабные неоднородности электронной концентрации неравномерно распределяются в пространстве. В данном случае перемежаемость проявляется в форме пространственной неоднородности ионосферной турбулентности.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
Результаты теоретических исследований мультифрактальной структуры развитой среднеширотной ионосферной турбулентности, когда основным способом получения данных об этой структуре является метод дистанционного радиозондирования ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ.
-
Результаты исследования мелкомасштабной среднеширотной ионосферной турбулентности с использованием метода многомерных структурных функций в условиях реальной нестационарности процесса рассеяния высокочастотных радиоволн в случайно- неоднородной плазме, показавшие возможность определения мультистепенных и мультифрактальных спектров МИТ.
-
Результаты исследования мелкомасштабной среднеширотной ионосферной турбулентности, позволившие получить первые данные о структуре мультистепенных локальных спектров МИТ в естественных условиях.
-
Результаты первых исследований мультифрактальной структуры мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ при модификации среднеширотной ионосферы мощным КВ радиоизлучением нагревного стенда СУРА, в том числе, когда сигнал ИСЗ проходил область магнитного зенита.
-
Результаты исследования мелкомасштабных плазменных неоднородностей перемещающихся ионосферных возмущений с применением мультифрактального анализа и фрактальной обработки принимаемых радиосигналов методом корреляционного интеграла.
-
Результаты исследования крупномасштабных (с размерами в десятки километров) неоднородностей электронной концентрации ПИВ методом радиопросвечивания среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ с применением мультифрактальной обработки экспериментальных данных.
Научная и практическая значимость результатов диссертационной работы связана с выявление фрактальных свойств плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы, что дает основу для более глубокого понимания процессов развития и релаксации ионосферных неоднородностей, позволяет идентифицировать их характер (техногенного или естественного) происхождения и определять параметры ионосферной турбулентности в условиях явной нестационарности и относительной локальности.
Представленные в диссертации результаты могут быть использованы как основа для проведения развернутых исследований фрактальной структуры ионосферной плазмы и получения новых данных о свойствах плазменных неоднородностей в экваториальной и приполярной областях ионосферы Земли в рамках комплексной международной программы соответствующих работ.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы при разработке диагностических средств для проведения ионосферных исследований, при разработке радиотехнических систем связи КВ и УКВ диапазонов, радиолокации и спутниковой навигации, при расчетах параметров ионосферных каналов связи в условиях средних широт, при проведении радиоастрономических наблюдений с поверхности Земли.
Тема диссертационной работы находится в сфере традиционных интересов ФГБНУ НИРФИ в области исследований неоднородной структуры ионосферной и космической плазмы. Значительная часть исследований была выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ № 95-02-03716, 96-02 18632, 96-02-18659, 99-02-16052, 00-02-17372, 01-02-16680, 03-02-17303, 06-02-16034 и 09- 02-97026р_поволжье_а) и Министерства промышленности и инноваций Нижегородской области (проект № 11-02-97012р_поволжье_а).
Личный вклад автора. Большая часть работ по теме диссертации написаны в соавторстве с В.А. Алимовым и В.А. Рахлиным. При этом в самом начале работ по фрактальной структуре ионосферной турбулентности автор принимал участие в экспериментальных исследованиях по этой теме: осуществлял измерения, на основе лично разработанных алгоритмов проводил компьютерную обработку и анализ полученных экспериментальных данных, обсуждал результаты и готовил их к публикации. В дальнейшем, наряду с активным участием в экспериментах, автор стал участвовать и в теоретических исследованиях фрактальной структуры плазменной турбулентности ионосферы. В частности, автором предложена идея мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности и проведены соответствующие теоретические расчеты мультистепенного спектра мелкомасштабной ионосферной турбулентности в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Автором была теоретически обоснована идея о новом, наиболее перспективном, фазовом методе дистанционного исследования мультифрактальной структуры ионосферной и космической плазмы, а также проанализированы некоторые особенности изучения мультифрактальной структуры МИТ с использованием вейвлет-преобразования. Результаты этих теоретических исследований автора, в сочетании с результатами первых экспериментов, фактически сформировали новое научное направление в исследованиях неоднородной структуры электронной концентрации верхней ионосферы - изучение фрактальной структуры ионосферной турбулентности.
Из работ, написанных по теме диссертации в других авторских коллективах, в диссертацию включены только те результаты, в которые вклад автора был определяющим. Во всех других случаях используемые в диссертации результаты приводятся с соответствующими ссылками на их авторов и публикации.
Достоверность результатов диссертации обусловлена использованием современных методов фрактального анализа и вейвлет-преобразований, пригодных для описания нестационарных случайных процессов, физической обоснованностью поставленных экспериментов и совпадением полученных в ходе фрактально-корреляционного анализа результатов с результатами классического метода в случае слабых радиомерцаний на равномерно распределенных мелкомасштабных ионосферных неоднородностях в пространстве.
Публикации и апробация результатов. По теме диссертации опубликовано 29 статей в отечественных научных журналах, входящих в список рекомендованных ВАК РФ, более 40 публикаций содержится в научных сборниках, трудах и тезисах всероссийских (всесоюзных) и международных конференций, препринтах ФГБНУ НИРФИ и научно- технических сборниках. Основные результаты докладывались на Суздальских симпозиумах URSI по модификации ионосферы мощным излучением (Суздаль, 1991 г.; Москва, 1998 г., 2007 г.), XVIII Всероссийской конференции по pаспpостpанению радиоволн (Санкт-Петеpбуpг, 1996 г.), XIX Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн" (Казань, 1999 г.), XX Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн" (Нижний Новгород, 2002 г.), XXII Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн" (Ростов-на-Дону - п. Лоо, 2008 г.), XXIII Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн" (Йошкар-Ола, 2011 г.), VII Симпозиуме по Солнечно-Земной физике России и стран СНГ (Москва, 1998 г.), Третьей Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии (экологическая физика)" (Москва, 2001 г.), Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей (Иркутск, 2001 г.), IX международной конференции "Физика в системе современного образования" (ФССО-07) (Санкт-Петербург, 2007 г.), X международной конференции "Физика в системе современного образования" (ФССО-09) (Санкт-Петербург, 2009 г.), Международной научной конференции "Излучение и рассеяние электромагнитных волн - ИРЭМВ-2007" (Таганрог, 2007 г.), V Международной конференции «Солнечно-Земные связи и физика предвестников землетясений» (с. Паратунка, ИКИР ДВО РАН, 2010 г.), XXV Всероссийском симпозиуме "Радиолокационное исследование природных сред" (Санкт-Петербург, 2007 г.), XXVI Всероссийском симпозиуме "Радиолокационное исследование природных сред" (Санкт- Петербург, 2009 г.), XXVII Всероссийском симпозиуме "Радиолокационное исследование природных сред" (Санкт-Петербург, 2011 г.), Седьмой Всероссийской Открытой конференции «Современые проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды и потенциально опасных явлений» (Москва, ИКИ РАН, 2009 г.), Восьмой Всероссийской Открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды и потенциально опасных явлений» (Москва, ИКИ РАН, 2010 г.), Региональных V, XI, XII, XIII, XIV, XV и XVI конференциях по распространению радиоволн (Санкт-Петербург; 1999, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 и 2010 год соответственно), Восьмой научной конференции по радиофизике, посвященной 80-тилетию со дня рождения Б.Н. Гершмана (Нижний Новгород, 2004 г.), Четырнадцатой научной конференции по радиофизике (Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 2010 г.), Четвертой межвузовской научно-технической конференции. (Нижний Новгород, 1997 г.), на научных семинарах ФГБНУ НИРФИ.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения, она содержит 327 страниц текста, включая 82 рисунка и список литературы из 239 названий.
Основные модели спектров мелкомасштабной плазменной турбулентности верхней ионосферы. Достоинства и недос татки спектрально-корреляционного подхода в исследовани ях ионосферной турбулентности
Рассматриваются достоинства и ограничения спектрально-корреляционного подхода в исследованиях ионосферной турбулентности. Строгий математический фундамент - корреляционная теория случайных процессов - своими вторыми моментами распределения вероятности точно описывает только гауссовы процессы на интервале их стационарности. Применение и интерпретация статистических моментов более высокого порядка оказывается достаточно сложным.
Отмечаются достоинства фрактального подхода, интенсивно применяющегося в исследованиях гидродинамической турбулентности, позволяющего продвинуться в понимании физических процессов, ответственных за ионосферную турбулентность.
Во второй главе диссертации представлены результаты специальных экспериментальных исследований плазменной структуры среднеширотной ионосферы с помощью радиозондирования ее сигналами орбитальных ИСЗ. Приводятся данные о наземном аппаратурном комплексе, который состоит из радиоприемной аппаратуры, ионосферной станции и нагревного стенда СУРА (в экспериментах 70-х годов использовался нагревный стенд «Ястреб», характеристики которого приводятся). Обсуждаются особенности проведения измерений с помощью этого аппаратурного комплекса. Приводятся результаты спектральной и мультифрактальной обработки принимаемых на Земле сигналов ИСЗ в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным KB излучением.
В разделе 2.1 приводятся данные о радиоизмерительном комплексе ФГБНУ НИРФИ для диагностики ионосферной турбулентности с помощью наземного приема сигналов орбитальных ИСЗ, ионосферных станциях «Сойка» и «Базис» и нагревных стендах СУРА и «Ястреб». Отмечается, что проведению измерений предшествует процедура вычислений местоположения ИСЗ в пространстве по данным, получаемым в виде TLE файла. Прием осуществляется в диапазонах 150 и 400 МГц на специальные антенны, имеющие широкую диаграмму направленности в вертикальном секторе углов. Приводится описание антенно-фидерного тракта для каждого из диапазонов. Обсуждается специальная геометрия эксперимента, когда приемный пункт расположен рядом с нагревным стендом или западнее на расстоянии около 100 км. При проведении экспериментов для диагностики искусственных и естественных неоднородностей использовались когерентные сигналы ИСЗ системы «Транзит» и «Цикада». Приводятся краткие сведения о частотах излучения бортовых передатчиков этих ИСЗ, особенностях орбит.
Отмечается, что метод радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ широко применяется для исследования формы спектра, пространственно-временных распределений, а в последнее время и для исследования фрактальных свойств неоднородностей электронной концентрации. Применение метода ограничено приближением слабого малоуглового рассеяния.
В разделе 2.2 приводятся результаты измерений спектральных характеристик искусственной плазменной турбулентности верхней ионосферы методом радиопросвечивания ионосферы при воздействии на нее мощным KB радиоизлучением нагревного стенда СУРА. С помощью приемника когерентных частот, расположенного в 100 км западнее в пункте Зименки, регистрировались амплитуды сигналов ИСЗ на частотах 150 и 400 МГц и квадратурные составляющие. Приведенные результаты спектральной обработки записей флуктуации амплитуды и флуктуации фазы сигналов ИСЗ свидетельствуют о том, что возможны два типа спектров искусственных неоднородностей, возбуждаемых мощным KB радиоизлучением: спектр с монотонной степенной зависимостью и показателем степени р-2 и спектр, имеющий максимум в области масштабов / = 0,8-2,2 км. В разделе 2.3 рассмотрены результаты эксперимента по определению структуры неоднородностей в направлении геомагнитного поля для искусственной ионосферной турбулентности, создаваемой нагревным стендом «Ястреб», методом наземного приема сигналов орбитальных ИСЗ на частоте 150 МГц. Нагревный стенд располагался вблизи г. Нижнего Новгорода и излучал в непрерывном режиме на обыкновенной компоненте на частоте 5,75 МГц с эффективной мощностью 15 МВт. Отмечается степенной характер резко анизотропного спектра мелкомасштабных плазменных неоднородностей при модификации верхней среднеширотной ионосферы мощным KB радиоизлучением.
В разделе 2.4 рассмотрены различные теоретические модели спектра мелкомасштабной ионосферной турбулентности. Отмечается особая роль обобщенной модели спектра ионосферной турбулентности, учитывающая зависимость анизотропии (вытянутости) мелкомасштабных неоднородностей верхней ионосферы вдоль направления магнитного поля Земли от поперечных масштабов этих неоднородностей. Приведены результаты первых специализированных экспериментов по радиозондированию среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ на частотах 150 и 400 МГц в условиях повышенной солнечной активности. Эксперименты проводились на радиофизическом полигоне в Нижегородской области в 2003 году. Исследовались статистические характеристики амплитудных флуктуации принимаемых сигналов при различной ориентации 9 луча зрения с ИСЗ на наземный пункт приема относительно направления магнитного поля Земли. В ходе эксперимента была обнаружена зависимость наклона спектра амплитудных флуктуации принимаемого излучения от угла 9. Полученный результат согласуется с обобщенной моделью спектра ионосферной турбулентности и может свидетельствовать в пользу резко выраженной анизотропной структуры мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации среднеширотной ионосферы в возмущенных геофизических условиях.
Измерение спектральных характеристик плазменной турбулентности верхней ионосферы при воздействии на нее мощным KB радиоизлучением
Из-за относительно низкой появляемости радиомерцаний на средних широтах и сложности обработки результаты измерений степени анизотропии мало известны. Тем не менее они проводились на полигоне НИРФИ Зименки в 1987 году Выборновым Ф.И. и Мясниковым Е.Н. Для обработки использовались записи сигналов ИСЗ системы «Транзит» в магнитовозмущенные дни 29 апреля (сенс 11:27 MSK) и 7 мая (сеанс 13:25 MSK), для которых наблюдались характерное увеличение индекса мерцаний при малых значениях угла между направлением радиолуча и магнитным полем Земли. Были получены значения отношений масштабов неоднородностей в направлениях вдоль и поперек геомагнитного поля, составляющие для двух экспериментов соответственно /( //_!_ -15 и /( 11у -18.
В предположении /х -1 км (по порядку величины равно размеру первой зоны Френеля), то значение продольного масштаба составляло /у -15 -ь 18 км. Искусственные неоднородности, возбуждаемые в ионосфере мощным коротковолновым излучением, исследовались с начала 70-х годов в Боулдере и Аресибо (США) [188, 189], а также на нагревных стендах в СССР (г. Горький, г. Москва, г. Душанбе и др.) [13, 190 - 192]. Результаты, полученные в ходе активных экспериментов по воздействию на ионосферную плазму, изложены в большом количестве публикаций1. В настоящее время исследования искусственной ионосферной турбулентности проводятся на нагревных стендах EISCAT (Тромсё, Норвегия), SPEAR (Норвегия), HAARP и HIPAS (Аляска, США), расположенных в приполярных районах, и единственным действующим среднеширотном стенде СУРА (ФГБНУ НИРФИ, Россия) [193]. Основные технические характеристики нагревных стендов приведены в Таблице 1 [194].
Измерения формы спектра искусственной ионосферной турбулентности, возбуждаемой среднеширотном нагревным стендом, были выполнены в июне 1976 г. в СССР [21, 195]. Нагревный стенд «Ястреб» вблизи г. Горького работал на частоте 4,6 МГц с выходной мощностью до 150 кВт. Антенна с усилением G — 100 излучала вертикально вверх на обыкновенной компоненте.
1 В четвертом выпуске библиографического указателя (Савинова Т.А., Шаронова Г.М. Воздействие мощным радиоизлучением на ионосферную плазму (библиографический указатель) // Горький. НИРФИ. 1989. 59 с.) содержатся описания 249 публикаций по данной тематике за 1986 - 1988 года. Все издания содержат информацию о 1295 работах за период с 1925 по 1988 год. Сигнал от бортового маяка ИСЗ ATS-6 на частоте 40 МГц, проходящий над нагревным стендом, одновременно принимался в двух пунктах (вблизи г. Котлас и п. Солнечный с координатами 61,24 с.ш., 46,51 в.д. и 62,98 с.ш., 47,52 в.д. соответственно). Геометрия эксперимента (см. рис. 1.3) была выбрана так, что один луч проходил на высотах 240-280 км через область нагрева, а другой выше нее на 60 км. Нагревный стенд работал по программе 5-8 минут нагрев, 5-8 минут пауза. Ионосферные мерцания регистрировались с помощью трех пространственно разнесенных антенн с базой около 500 м. Отмечалось, что искусственные ионосферные неоднородности возникают в области высот 240 - 280 км, а затем возмущение распространяется до высот 300 - 340 км. Высота максимума F-слоя ионосферы составляла в это время около 300 км. Эффективная скорость распространения искусственных возмущений, ответственных за генерацию неоднородностей, вдоль силовых линий магнитного поля Земли по времени задержки мерцаний оказалась порядка 400 м/с.
Название стенда, его местоположение Частотныйдиапазон(МГц) Максимальнаямощность Р(МВт) Год началаэксплуатации илипервой публикациирезультатов NAIC, Arecibo, Puerto Rico, США18N67W 3-15 300 с 1971 г EISCAT,Тромсе, Норвегия69.6 N, 19.2 Е, 2,8-10 1200 (250 - 4200) 1980 HIPAS, Фэйрбэнкс, 2,8-4,9 50 1977, 1983 США 64,9 N 146,9 W Стенд Гиссар, Душанбе 38 N 4-6 6-8 1981 Харьков 50 N 6-12 1980 Москва56 N 1,35 1000 1974 Стенд СУРА,п. Васильсурск,ФГБНУ НИРФИ;56.13 N, 46.1 Е 4,5-9 80 1981 Стенд «Ястреб» д. Зименки НИРФИ56 N 4,65,75 20 1973 г. Мончегорск 68 N 3,3 10 1977 HAARP63 N 145,1 W 2,8-10 180 1980 SPEAR,Лонгйербьен, Норвегия78.2 N, 15.82 Е 4-6 28 Спектры флуктуации сигнала ИСЗ (см. рис. 1.4), полученные в двух пунктах наблюдений для одного сеанса работы нагревного стенда, существенно отличались. Спектр сигнала ИСЗ, принимаемый вблизи г. Котлас (1 на рис. 1.4), имел ряд характерных особенностей. Для масштабов (0,7 - 1,0) км наблюдался минимум спектральной плотности, а для масштабов (0,35 - 0,7) км достаточно широкополосный максимум со степенным законом убывания с показателем степени /?-(1,3 - 1,8). Спектр сигнала ИСЗ, прошедшего над областью нагрева на высоте 300 - 340 км являлся степенным с показателем р-Ъ (2 на рис. 1.4). Форма этого спектра
соответствовала форме спектра сигнала ИСЗ, наблюдаемого в условиях развитых естественных неоднородностей F-слоя ионосферы с масштабами / (2 - 4) км. То есть, на высотах 300 - 340 км наблюдалось появление более интенсивных искусственных неоднородностей, имеющих спектральные характеристики естественных неоднородностей [128]. Индекс мерцаний для диапазона высот 300-К340 км составил (0,2 - 0,3), а для высот 240 -280 км (0,05 - ОД). При выключении нагревного стенда искусственные неоднородности релаксировали с характерными временами 1 и 2 минуты соответственно для высот 240- 280 и 300-К340 км. [128, 195].
Рис. 1.3. Геометрия радиопросвечивания возмущенной области сигналом геостационарного ИСЗ на частоте 40 МГц для приемных пунктов в г.Котлас (1) и п. Солнечный (2) [195]
В описанном эксперименте перемещение неоднородностей происходило в восточно-западном направлении, поэтому данные о пространственных спектрах соответствуют направлению, ортогональному плоскости магнитного меридиана. В работе [196] приведены примеры спектров флуктуации амплитуды сигналов ИСЗ системы «Транзит», имевших полярные орбиты, на частоте 150 МГц, принятые в приемном пункте вблизи г. Смоленска при разном удалении радиолуча от области нагрева по высоте (см. рис. 1.5) во время работы нагревного стенда «Ястреб».
Мультистепенной спектр мелкомасштабной ионосферной турбулентности в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным KB радиоизлучением
Экспериментальные исследования статистических характеристик радиоволн при вертикальном зондировании ионосферы и наземном приеме сигналов орбитальных ИСЗ типа «Транзит» (на когерентных частотах 150 и 400 МГц) проводились на радиофизических полигонах ФГБНУ НИРФИ в д. Зименки и п. Васильсурск Нижегородской области.
На полигоне в д. Зименки располагались приемо-передающие и измерительные комплексы: цифровая станция вертикального и наклонного зондирования ионосферы «Сойка-6000», приемный комплекс для проведения измерений и регистрации сигналов ИСЗ на когерентных частотах, стенд нагрева ионосферы мощным KB излучением «Ястреб». Для проведения фазовых измерений сигналов ИСЗ использовался приемник когерентных частот, разработанный сотрудниками Полярного геофизического института Кольского филиала Академии наук России (ПГИ КФ РАН).
Ионосферная станция «Сойка-6000» позволяла проводить вертикальное и наклонное зондирование ионосферы импульсным радиосигналом длительностью от 50 до 800 мкс с частотой повторения до 100 Гц в диапазоне частот от 0,3 до 40 МГц с мощностью в импульсе до 50 кВт. Станция имела большой комплекс собственных приемных и передающих антенн (логопериодические приемная и передающая антенны с диапазоном от 2 до 30 МГц, система скрещенных вибраторов с диапазоном 3-7 МГц, горизонтальный ромб и др.). Фидерные системы станции позволяли использовать фазированные антенные решетки нагревного стенда «Ястреб». Для приема отраженного сигнала на фиксированных частотах станция имела аппаратуру регистрации импульсных сигналов и набор приемников типа «Катран» с расширенной до 20 кГц (по уровню 0,7) полосой пропускания и колоколообразной характеристикой тракта промежуточной частоты.
Нагревный стенд «Ястреб» позволял осуществлять воздействие на ионосферу в диапазоне 4-6 МГц и на частоте 2,8 МГц с эффективной мощностью до 10 МВт в непрерывном режиме. Максимальная выходная мощность передатчика составляла 100 кВт. Вертикальная диаграмма (12х15 по уровню половинной мощности, коэффициент усиления 80) направленности антенны формировалась фазированной антенной решеткой из 4x5 широкополосных скрещенных вибраторов для диапазона 4-6 МГц. Излучалась О- или Х-компонента. Для излучения на частоте 2,8 МГц использовалась фазированная антенная решетка из 1x3 скрещенных вибратора (20х60 по уровню половинной мощности, коэффициент усиления антенны 10). Излучалась линейная поляризация. Нагревный стенд «Ястреб» с конца 90-х годов выведен из эксплуатации и не используется для активного воздействия на ионосферу. Серия заключительных экспериментов по интерференционному воздействию на ионосферу с использованием этого стенда и стенда СУРА была проведена в мае 1997 года.
Прием и регистрация сигналов искусственных спутников Земли в диапазоне 150 и 400 МГц (системы навигационных ИСЗ «Транзит», «Парус», «Цикада») производился с помощью радиоизмерительного комплекса, состоящего из приемно-измерительной стойки, антенно-фидерного тракта и компьютера регистрации и первичной обработки сигнала IBM PC Pentium 433 с измерительной платой L-780M (14 разрядный аналого-цифровой преобразователь с 32 аналоговыми входами и частотой опроса 400 кГц) фирмы L-Card. Блок-схема измерительного комплекса приведена на рис. 2.1. Сигналы от ИСЗ на частотах 150 и 400 МГц принимаются антеннами и усиливаются усилителями высокой частоты (УВЧ) на 20 дБ. Антенны выполнены в виде двух скрещенных полуволновых вибраторов с U-образными коленами и фазовым сдвигом л/2 (рис. 2.2). Вибраторы расположены над дюралевыми диском диаметром около 2 м на расстоянии четверти длины волны. Антенна располагается на ровной площадке и ориентирована в зенит, но может быть направлена в любое другое направление. Усиленный сигнал по коаксиальному кабелю длиной 30 м подается на вход радиоприемника Р313М2, играющего роль конвертера. Входной усилитель и смеситель этого приемника выполнены на нувисторах 6С5 ЗН-В, благодаря чему достигается низкий уровень собственных шумов и большой динамический диапазон используемых каскадов. Сигнал, преобразованный в частоту 25 МГц, поступает на вход радиоприемного устройства (РПУ) «Катран», где производится основное усиление и селекция сигнала. Динамический диапазон по входному сигналу этого приемника не менее 80 дБ. Сигнал с выхода РПУ на промежуточной частоте 215 кГц (ПЧ) подается в блок амплитудных детекторов (АД) с постоянной времени 0.01 с, где детектируется и усиливается. Схема с обратной связью позволила получить линейную характеристику детектирования сигнала ПЧ от 1 мВ до 5 В. Такой диапазон сигналов АД оптимально согласуется с измерительной платой L-780M.
Полоса пропускания по ПЧ радиоканала 150 МГц выбирается 1 кГц из-за близкого частотного расположения информационных каналов ИСЗ. Оптимальной для приема сигнала на частоте 400 МГц полоса пропускания по ПЧ является 3 кГц. Во время приема сигналов ИСЗ частота настройки каждого канала корректируется с целью учета доплеровского смещения частоты. Запись сигнала ИСЗ производится с помощью измерительной платы в файл на винчестер персонального компьютера. В качестве измерительной платы в отдельных экспериментах использовался аудио контроллер SB Live 5.1 с частотой записи данных около 5 кГц. Во время проведения измерений сигнал ИСЗ отображается на дисплее компьютера. Измерительный комплекс проводит синхронную регистрацию двух сигналов в диапазонах 150 и 400 МГц.
На полигоне в п. Васильсурск располагаются приемо-передающие и радиоизмерительные комплексы: цифровая станция вертикального зондирования ионосферы «Базис-М», приемный комплекс для проведения измерений и регистрации сигналов ИСЗ на когерентных частотах, стенд нагрева ионосферы мощным KB излучением СУРА. Для проведения фазовых измерений сигналов ИСЗ используется приемник когерентных частот, разработанный сотрудниками ПГИ КФ РАН и изготовленный в ФГБНУ НИРФИ. Для регистрации сигналов ИСЗ также используется приемник фирмы ICOM IC-PCR1500, позволяющий вести прием сигналов ИСЗ до 3 ГГц.
Некоторые особенности фрактальной структуры искусственной ионосферной турбулентности. Мультистепенной спектр плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы при воздействии на нее мощным коротковолновым радиоизлучением
Но поскольку эта же структурная функция [ДЛ(г)] определяется соотношением (3.27), то в результате сравнения (3.27) и (3.38) для показателя мультистепенного спектра локальной мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности поперек магнитного поля Земли получаем следующее выражение: р2щ=1 + 2ая. (3.39)
Таким образом, изотропная локальная структура МИИТ в плоскости поперек магнитного поля Земли, описываемая первым множителем в анизотропном спектре Фы {к) (см. (3.36)), однозначно определяется набором соответствующих гельдеровских экспонент aq (см. (3.2) и (3.27)) из мультифрактального спектра амплитудных флуктуации принимаемых от орбитальных ИСЗ сигналов после радиопросвечивания ими среднеширотной ионосферы во время воздействия на нее мощным коротковолновым радиоизлучением. Значения этих экспонент aq определяются в ходе общепринятой мультифрактальной обработки сигналов (см. (3.1), (3.2) и [98, 99, 141]).
Здесь, как и в [98], рассматривается наиболее общий случай зондирования МИИТ с анизотропным спектром флуктуации электронной концентрации (3.36) сигналами орбитальных ИСЗ, когда плоскость распространения волны лежит вне плоскости магнитного меридиана. 127 Заметим, что в случае анизотропного спектра (3.36) для локальной структуры мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности, следуя [98], несложно получить простое соотношение, связывающее фрактальные размерности DN (aq) пространства, занятого неоднородностями МИИТ, с фрактальными размерностями флуктуации амплитуды DA(aq) (ср. [98]): D„(aq) = l[l + DA(aq)]. (3.40) Но параметры aq и показатели р2 мультистепенного спектра мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности удовлетворяют соотношению (3.39), а, следовательно, измеряемый в эксперименте мультифрактальный спектр амплитудных флуктуации принимаемых сигналов DA{aq) в условиях модификации ионосферы мощным KB радиоизлучением будет характеризовать неравномерное распределение в пространстве искусственных мелкомасштабных неоднородностей для разных турбулентных структур с различными показателями р2 мультистепенного спектра.
Результаты применения данной теории рассматриваются в разделах 4.3 и 4.6 соответственно для специальных экспериментов по радиопросвечиванию среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ в естественных условиях и при модификации ионосферы мощным KB радиоизлучением.
Обнаруженный в этих экспериментах мультистепенной характер локальных спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности, в конечном счете, обусловлен неоднородным распределением мелкомасштабных флуктуации электронной концентрации в пространстве. Именно неоднородное пространственное распределение мелкомасштабных флуктуации электронной концентрации в естественных условиях среднеширотной ионосферы и при искусственной модификации ее мощным коротковолновым радиоизлучением приводит к специфической
128 мультифрактальной структуре амплитудных записей принимаемых от ИСЗ сигналов (см. также [99]). А анализ мультифрактальной структуры записей, в свою очередь, позволяет определять параметры мультистепенных локальных спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности, которые присущи ей именно из-за неоднородного распределения мелкомасштабных флуктуации электронной концентрации в пространстве.
Особо следует указать на то, что важная информация о локальной структуре мелкомасштабной ионосферной турбулентности недоступна для исследований в рамках классического метода радиомерцаний [5]. Здесь необходимым условием является применение работоспособного в условиях реальной нестационарности исследуемых случайных процессов метода многомерных структурных функций в мультифрактальном анализе принимаемых сигналов при дистанционном радиозондировании ионосферы (см. выше). Классический же метод радиомерцаний не учитывает реальной нестационарности процесса рассеяния высокочастотных радиоволн в неоднородной ионосферной плазме [27]. Он использует спектральный метод анализа принимаемых при дистанционном радиозондировании сигналов, который дает корректные результаты лишь для квазистационарных случайных процессов [25].
Похожие диссертации на Фрактальная структура плазменной турбулентности среднеширотной верхней ионосферы
-
