Введение к работе
- З -
Актуальность проблемы. Проблема исследовании мелкомасштабном структуры ионосферной плазмы имеет ряд фундаментальных и прикладных аспектов. Параметры случанпо-пеоднороді.ой структуры onj/оделяются самыми разнообразными процессами: развитием неустойчиностей и турбулентности, наличием большого числа электромап ;,"пшх п гидродинамических волп и их взаимодействием с элементарными составляющими плазмы. Формирование мелкомасштабной части спектра неоднородпосгей злектропной концентрации происходит па фоне нестационарных и неравповеагых процессов в среде. Поэтому мелкомасштабные неоднородности могут служить индикатором крупномасштабных процессов переноса массы п энергии. Взаимодействие электромагнитных волн с турбулентностью приводит к изменению их энергетических и поляризационных характеристик, 'что необходимо учитывать при создании систем связи, радионавигации и в радиоастрономии. Таким образом, знание основных параметров флуктуации электронной концентрации в области малых масштабов является одной из актуальных проблем физики околоземной среды.
Несмотря на большую важності, мелкомасштабных пеоднородпостен (с размерами порядка 10-100 м), имеется мало информации об их глобальном распре делении. Спектр пеодпородностей ионосферной плазмы изучается, в основном, средствами наземного радиозондирования (с . помощью радаров когерентного и некогерентного рассеяния, по измерениям ьерцапий сигналов внеземпых источников), которые имеют локальный характер. Поскольку ионосфера является объектом, свойства которого существенно отличаются в различных географических региопах и в разпые моменты времени, главную роль здесь, очевидна, должны играть методы, позволяющие получать информацию в реальном масштабе времепи и использующие аппаратуру, расположенную непосредственно в самой изучаемой среде. С этой точки зрепия наиболее адекватным является дистанционное зондирование с борта искусственных спутников Земли (ИСЗ). При этом возможно получение глобальпой информации о распределении параметров ионосферы за относительно
- 4 -небольшие промежутки времени, когда средние свойства среды можно считать неизменными. В этих целях может быть использован отклик ионосферы на зондирование радиоволнами различной частоты. Одним из перспективных направлений является недавно предложенный способ диагностики мелкомасштабных неоднородностей, основанный на рассеянии сигналов внешнего зондирования ионосферы в частотппм диапазоне
""*W <f < w V*
Представляет интерес также анализ влияния мелкомасштабной структуры на эпергетические характеристики сигналов трансиносферного зондирования.
Цели работы.
1) Теоретическое обоснование возможности диагностики мелкомасштаб-
.ных неоднородностей электронной концентрации, основывающейся на
регистрации рассеянных сигналов z-моды в частотном диапазоне
(1). ' .
2) Использование параметров следов на ионограммах внешнего
зондирования в диапазоне (1) для изучения распределения мелкомасштабных неоднородностей ионосферы вдоль орбиты спутника.,
-
Изучение механизмов формирования рассеянных сигналов .г-моды и получение их количественных характеристик.
-
Анализ возможности использования эффекта аномального поглощения обыкновенных волн для изучения параметров спектра случайных неоднородностей малого масштаба при трансионосферном зондировании.
Научная новнона.
1) Теоретически обоснован метод диагностики мелкомасштабных неоднородностей, основаипый па регистрации рассеянных сигналов г-моды в частотпом диапазоне между максимальной из плазменной н гнро - частот и верхнегибридпым резоиансом при внешнем зондировании ионосферы.
-
Разработан чпслсііш.іії алгоритм статистической обработки данных, который применен к анализу нопограмм РПСШКСГО зондирования, полученных на спутнике "Космос-1809" в течение 13 полных шітков в летппіі и дна. зимних периода 1937 годп. На зтон оспопс построены распределения уронпя мелкомасштабных псодиородпсктеи в зависимости от географической п магнитной шігрот. Отмечены павм-ir/лпы уронпя тіеоднородиостей и окрестности пкпаторнальнон аномалии п при пересечении спутником терминатора.
-
Исследованы возможные каналы формировании диффузных сигналов г-моды при лпеппіем зеиддросапип ионосферы л частотном диапазоне глпхе верхнего гибридного резонанса л проведена оценка их эффективности;
-
Рассчитана мощность прплпмаемых копсзопдом спутника сигналов .г-моды, возникших вследстспе. обратного и кросс-модового рассеяния па сильно вытянутых- вдоль силовых линий магнитного поля пеоднероднестах электронной кондептрадпн;
. 3) ПроЕедеп анализ аномального псглощспил сбикнопенных волп при г,ерт;п:алытм тралено носй[;ернсм зендпрозалнп при наличии в ионосфере мслксмаспггабіплх песдиородпсстс-л со стеленным я глуссор.с-rjvis простралствеппкмн спехтрамн.
Псго;:<еппл, ныкоелмые на «защиту,
-
Регистрируемые па лепограммах внешнего гендпрояапня диффузные следы т, частотном диапазоне пгоке Есрхиегпбрпдной частоты сигналы с раессяппем радисволп па нсоднородноспх электронной концентрации с масштабами порядка І0-1С0 м. Измерение максимальной длины следа рассегпнгьис ~-ігалн несут пнфоркагпно о параметрах мелчсмасіїїтабньїх леодпородяостеґі ионосферы. На сснспс таких измерений может быть пведел простой индекс позмущепнестп з области малых масштабов.
-
Распределение урезгга мелкомасштабных кеоднородпестен ионосферы, полученное па оспоге анализа данных о рассеянии г-моды при внешнем зондирошшин с борта спутника "Kocmoc-ISGO" :; целом подобно распределению пеодію[юдностеіі, определеннее/ рапсе по
измерениям мерцаний радиосигналов, излучешшх со спутішков, по имеет ряд характерных отличий и новых деталей. В частностп, имеет место повышение уровня мелкомасштабных нсоднородностей в районе экваториальной аномалии. Отмечается наличие мелкомасштабных нсоднородностей в верхней ионосфере средних широт п корреляция их уровня с прохождением терминатора па высоте спутника.
-
Основной вклад в энергетику регистрируемых па спутнике диффузных сигналов г-моды при неоднородпостях, аїльно вьггяпушх вдоль магнитного поля, вносит рассеяние (трансформация) излученных со спутника волн в окрестности поверхности ортогональности, определяемой как геометрическое место точек, в которых волновой вектор семейства излученных из местоположения спутника г-волд ортогонален силовым линиям-геомагнитного поля.
-
Полученная численная оценка интенсивности диффузных сигналов z-моды подтверждает возможность их регистрации бортовым ионо-
' зондом. При этом основным каналом формирования таких следов при измерениях, проводимых в средних широтах, является обратное рассеяние излученных со спутника медленных необыкновенных волн. Зависимость интепсивносш диффузных сигналов от частоты я времени задержки определяется уровнем и показателем спектра неод-
НОрОДЕОСТеЙ.
5. Частотная зависимость и величина аномального поглощения сигна
лов трансионосферного зондирования, проходящих через резонанс
ную область вблизи максимума электронной концентрации,определя-
ется уровнем и формой спектра неоднородностей. При одинаковом
уровне возмущений величина аномального поглощения оказывается
Меньше для сильно вытянутых неоднородностей, чем для изотроп
ных.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что на основе развитой теории возможно создание принципиально нового метода диагцостики неоднородной структуры ионосферы в области малых масштабов. Получешше результаты могут найти примспсіше при
- 7 -разработке радпотехпплеских средств связи, систем радиозондирования и контроля состояния околоземной плазмы в декаметровом диапазоне.
Достоверность получетшх реоультатов осповапа на строгой поста-повке решаемых задач, выборе адекватных моделей для регулярной п неоднородной структуры ионосферы. Все результаты получены с учетом анизотрошга иопосферноц плазмы, что является пршщипиальшым при рассмотрении физических процессов, связаппых с распространением сигналов внешнего зондирования. При построении моделей распределения мелкомасштабных неоднородностей производилась статистическая обработка экспериментальных данных, что позволило устранить субъективные ошибки измерепий.
Апробация работы. Основные полученные в диссертации результаты докладывались на Всесоюзном совещании по программе WAGS (Чолпон^Ата, сентябрь 1988 г.), па Международном семинаре "Результаты комплексных исследований по данным измерений 1IC3 "Иптеркосмос-19" (Калуга, октябрь 1988 г.), иа заседании VI-й рабочей группы по Международной программе SUNDIAL (USA, McLean, May 1989), на Всесоюзной конференции молодых ученых "Электромагнитные процессы в Земле и космосе" (Звенигород, ноябрь 1989 г.), иа ХХІ1І-Й Генеральной Ассамблее URSI (Прага, август-сентябрь 19S0 г.), па Международном совещании по программе SUNDIAL (Ленппград, сентябрь 1990 г.), ііа XVI-й Всесоюзной хопфереигчп по распространению радиоволн (Харьков, октябрь 1990 г.), на Ш-м симпозиуме URS1 но модификации ионосферы мощными радиоволнами (Суздаль, сентябрь 1991' г.), на VI1I-M совещании-семинаре но проблеме "Неоднороднал структура ионосферы" (Абрау-Дюрсо, сеіггябрь-октсбрь 1991 г.), на научно-техническом семішаре "Рпспросграпсппс и диф-_ ракцня электромагнитных воли п неоднородных средах" (Сиолтсг., нюнь 1992 г./, па Международном симпозиуме по программе: STEP (USA, Laurel, АигігП 1-92).
Публккащп:. По теме диссертации опубликовано л виде статей к тезисов докладов 1G работ.
Реализации узеоуяьтатов. Результаты, полученные в диссертации, использовались при выполнении госбюджспю/і темы Отдела Космических Исследований НИИ физики при РГУ (К" государственной регистрацк:: 0186.0006566).
Объем диссертации:. Диссертация состоит id введеш;:;, четыре:: глав ir заключит;:-, содержание: 10; страницу машинописного тегетс, 43 рисунка, і таблицу і; сіпісо;: цитируемой литературы, насчитывающий 106 наименовании.
