Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Эксперимент «Экваториальный триггер» 14
1.1. Цели и задачи эксперимента 14
1.2. Организация и проведение эксперимента 20
1.3. Основные результаты эксперимента 23
1.4. Доплеровский метод зондирования ионосферы 24
1.5. Выводы 30
Глава 2. Предварительная обработка экспериментальных данных 31
2.1. Доплеровское смещение частоты 31
2.2. Спектральный анализ исходных данных 37
2.3. Методика расчета временного хода доплеровского смещения частоты 42
2.4. Корреляционный анализ временного хода доплеровского сдвига частоты 49
2.5. Выводы 55
Глава 3. Обратная задача многочастотной доплеровской диагностики 57
3.1. Исходная постановка задач 57
3.2. Модификация методики многочастотного доплеровского зондирования 62
3.3. Моделирование многочастотной доплеровской диагностики 65
3.3.1. Тестирование методик решения обратной задачи при линейном росте возмущения с высотой 67
3.3.2. Тестирование методик решения обратной задачи при наличии в ионосфере локального возмущения 72
3.3.3. Тестирование методик решения обратной задачи в условиях присутствия нескольких неоднородностей 75
3.4. Моделирование доплеровских спектров 77
3.5. Выводы 81
Глава 4. Восстановление динамики ионосферного профиля методом многочастотного доплеровского зондирования 83
4.1. Восстановление динамики профиля естественной ионосферы 83
4.2. Оценка параметров вертикально перемещающейся неоднородности по данным многочастотного доплеровского зондирования 88
4.3. Восстановление динамики профиля искусственного плазменного облака 96
4.4. Выводы 98
Заключение 100
Список используемых источников 102
- Доплеровский метод зондирования ионосферы
- Корреляционный анализ временного хода доплеровского сдвига частоты
- Моделирование доплеровских спектров
- Оценка параметров вертикально перемещающейся неоднородности по данным многочастотного доплеровского зондирования
Введение к работе
з
Актуальность темы
Основной причиной, определяющей интерес к изучению ионосферы Земли, является свойство ионосферы влиять на распространение радиоволн. Изучение этого влияния обусловлено растущими требованиями к качеству связи посредством ионосферных радиоканалов, точности позиционирования в системах спутниковой радионавигации, работе радиолокационных систем. Основной фактор, осложняющий учет влияния ионосферы на распространение радиоволн - это наличие в ионосфере неоднородностей и возмущений различной природы, в том числе и антропогенных, а также различных нестационарных процессов.
Метод многочастотного доплеровского радиозондирования активно применяется уже много лет для изучения процессов в ионосфере. Этот метод выделяется среди других методов зондирования ионосферы высокой чувствительностью к изменениям концентрации плазмы на пути распространения сигнала и высокой точностью измерений. Практическое применение данного метода осложняется интегральным характером зависимости доплеровского сдвига по траектории распространения сигнала.
В диссертационной работе предлагается методика обработки данных многочастотного доплеровского радиозондирования ионосферы, работа которой демонстрируется методом компьютерного моделирования, в частности, на примере анализа данных эксперимента «Экваториальный триггер». Полученные результаты расширяют методическую базу доплеровских методов зондирования, а также дают полезную информацию о динамике экваториальной ионосферы и искусственных плазменных образований в ней.
Цель работы
Целью настоящей работы является развитие методов обработки данных многочастотного доплеровского зондирования, применительно к
4 нестационарным процессам в ионосфере и искусственным плазменным образованиям; применение разработанных методик для обработки и интерпретации экспериментальных данных многочастотного доплеровского радиозондирования ионосферы, полученных в ходе активного эксперимента «Экваториальный триггер»; изучение поведения ионосферы в ходе эксперимента; поиск новых признаков возможности искусственного запуска неустойчивости типа Рэлея-Тейлора в вечерней экваториальной ионосфере.
Научная новизна
-
Предложена новая методика представления входных данных для использования в многочастотной доплеровской диагностике. Методика использует кусочно-линейную аппроксимацию исходных данных.
-
Впервые получены численные оценки динамики ионосферного профиля в ходе эксперимента «Экваториальный триггер» и динамики профиля искусственного плазменного облака.
-
Предложенная методика впервые применена для детектирования ионосферных неоднородностей и определения их пространственных параметров по данным многочастотного доплеровского радиозондирования.
-
По результатам обработки данных эксперимента "Экваториальный триггер», обнаружена вертикально перемещающаяся неоднородность в основании F-слоя ионосферы. Оценка параметров обнаруженной неоднородности позволяет считать последнюю «пузырем» ионизации, что подтверждает гипотезу о возможности стимулированного запуска неустойчивости типа Рэлея-Тейлора в вечерней экваториальной ионосфере.
Положения, выносимые на защиту
1. Модифицированная методика многочастотной доплеровской диагностики ионосферы и её обоснование с помощью вычислительного эксперимента.
-
Реализация предложенной методики для диагностики ионосферы и искусственных плазменных образований в эксперименте «Экваториальный триггер».
-
Качественные и количественные оценки динамики фоновой ионосферы и искусственных плазменных образований в эксперименте «Экваториальный триггер» и их физическая интерпретация.
Достоверность полученных результатов
Достоверность обусловлена согласованностью полученных результатов с теоретическими представлениями о протекающих в ионосфере процессах и подтверждена решением модельных задач путем компьютерного моделирования.
Научная и практическая значимость
Научная значимость обусловлена тем, что эксперимент «Экваториальный триггер» был одним из последних масштабных экспериментов с инжекцией плазмообразующих веществ в ионосферу, проводимых в нашей стране. Данные, полученные в ходе эксперимента, уникальны, и, как следствие, их анализ сам по себе представляет собой научный интерес. Кроме того, обработка экспериментальных данных новой методикой может дать дополнительное подтверждение теоретических предпосылок, лежащих в основе проведения эксперимента.
Также в настоящее время доплеровская диагностика ионосферы приобретает все больший интерес, что выражается в большом количестве работ по данному направлению в научной литературе. Доплеровская диагностика применяется для широкого круга задач от диагностики ионосферных возмущений до поиска эффектов от тектонических процессов. Предлагаемая в работе методика расширяет область приложений доплеровских методов.
6 Личный вклад автора
Постановка задач, решаемых в диссертационной работе, формулировалась автором вместе с научным руководителем. Автор лично разрабатывал алгоритмы и программы для анализа экспериментальных данных. Все зависимости и графики были получены с помощью этих алгоритмов. Выводы работы делаются автором на основании этих полученных данных. Анализ и интерпретация полученных результатов выполнены автором совместно с научным руководителем.
Апробация результатов
Основные результаты автором докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: XXIII Всероссийская научная конференция по распространению радиоволн (г. Йошкар-Ола, 2011 г.); X Международная школа молодых ученых «Физика окружающей среды» им. А. Г. Колесника (г. Томск, 2012 г.), где работа была отмечена дипломом III степени; XI и XII Байкальские международные школы по фундаментальной физике (г. Иркутск, 2009 г. и 2011 г.); научные чтения памяти Э. Л. Афраймовича (г. Иркутск, 2010 г. и 2012 г.); конференция «Физика и оптика океана и атмосферы» (г. Иркутск, 2012 г.); на научных семинарах Физического факультета Иркутского Государственного Университета.
Работа подготовлена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект 14.740.11.0078 и соглашение № 8388 федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы).
Публикации
Всего по положениям диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 работы в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК: журналы «Космические исследования» и «Известия Иркутского государственного университета».
7 Структура и объем диссертации
Доплеровский метод зондирования ионосферы
Доплеровский метод радиозондирования представляет собой эффективный инструмент для изучения различных процессов в ионосфере. Первые работы по доплеровским эффектам в ионосфере относятся к 60-70-м годам XX века [8, 50, 51, 52], где изучалась связь доплеровского сдвига частоты радиосигнала, распространяющегося в ионосфере, с параметрами среды распространения.
При распространении радиоволн в нестационарной среде или при относительном движении источника и приемника доплеровский сдвиг частоты определяется следующим выражением
В формуле (1.1)/- частота сигнала, с - скорость света, Р - фазовый путь вдоль пути распространения сигнала, t - время. Таким образом, доплеровское смещение определяется изменением во времени фазового пути сигнала. Причиной изменения фазового пути может быть изменение геометрии трассы или изменение свойств среды на пути распространения сигнала. В общем случае, на практике, имеют место обе эти причины одновременно.
Учитывая, что фазовый путь связан с показателем преломления среды п на пути распространения сигнала s
Из выражения (1.4) следует, что показатель преломления зависит от частоты радиоволны /. В случае, когда у вертикально распространяющегося сигнала меняется как геометрия пути, так и свойства самой среды на пути распространения, возникает весьма сложная зависимость доплеровского сдвига от частоты сигнала [50 - 52].
В общем, учитывая сложный характер связи между наблюдаемым сдвигом частоты и параметрами среды, которые определяют траекторию распространения сигнала, на сегодняшний день не существует единой методики диагностики среды методом доплеровского зондирования. Тем не менее, за несколько десятков лет исследователям удалось продвинуться в этом направлении и наработать определенный опыт и некоторые подходы.
Первые работы по доплеровским исследованиям ионосферы велись ещё в первой половине XX века. Однако бурное развитие это направление получило в 60-е годы, когда в разных странах разными группами ученых создавались различные комплексы для доплеровского зондирования.
В нашей стране важный вклад в развитие этого направления ионосферных исследований был сделан С. А. Намазовым [8, 51]. Работа [51] являлась обзорной статьей, освещающей результаты ранних ионосферных исследований доплеровским методом. В работе [8] было показано, что доплеровский метод имеет более высокое временное разрешение по сравнению с импульсным зондированием и методом некогерентного рассеяния. Также отмечалась высокая чувствительность доплеровского зондирования к дифференциальным изменениям концентрации плазмы на пути распространения сигнала.
В конце 80-х годов С. А. Намазов принимал участие в программе «Активные эксперименты и антропогенные эффекты в ионосфере» [9], где его работы нашли применение в аппаратурном обеспечении экспериментов. Также стоит отметить большой вклад в реализацию этой программы Ю. А. Романовского. Эти ученые сыграли важную роль при проведении эксперимента «Экваториальный триггер» [10].
В середине 80-х в ИЗМИР АН разрабатывались методики многочастотной доплеровской диагностики возмущенной ионосферы. Здесь следует отметить важные основополагающие работы В. Ю. Кима и В. А. Панченко [11, 12, 53, 54], в которых была проведена разработка метода многочастотного импульсного доплеровского зондирования искусственных возмущений электронной концентрации. Были разработаны методы численного решения обратной задачи многочастотного доплеровского зондирования, сведенной к уравнению Абеля. Были созданы и использованы на практике аппаратно-программные комплексы для измерения характеристик мелкомасштабной ионосферной турбулентности и для реализации метода многочастотного доплеровского зондирования. Эти разработки применялись на практике для изучения процессов в ионосфере при нагревании последней мощным радиоизлучением. Некоторые результаты этих авторов находят применение в настоящей работе.
Большой вклад в развитие доплеровских методов был сделан Э. Л. Афраймовичем [6, 55, 56, 57], в частности, им были разработаны некоторые методы доплеровских измерений и проработан целый ряд методических вопросов. Впоследствии в Институте Солнечно-Земной физики в Иркутске был создан специализированный комплекс доплеровских измерений. На сегодняшний день этот комплекс не функционирует.
Экспериментальные доплеровские измерения проводились в Сибирском физико-техническом институте в Томске под руководством Нагорского П. М. [58 - 61]. Исследовались нестационарные процессы и акустические ударные волны в ионосфере, которые являлись следствием запуска космических ракет.
В настоящее время доплеровский метод зондирования применяется в ИЗМИР АН для исследования распространения коротких радиоволн [62, 63].
В Нижнем Новгороде совместно с ИЗМИР АН на стенде «Сура» доплеровским методом исследуется влияние мощных радиоволн на ионосферу [63, 64]. В отдельных экспериментах для восстановления профиля электронной концентрации применялась методика, разработанная В. Ю. Кимом и В. А. Панченко [11, 12, 53, 54]. Следует отметить большие усилия, прилагаемые для совершенствования методов зондирования при проведении активных экспериментов на стенде «Сура».
В Харьковском национальном университете для исследования ионосферы также применяется доплеровское зондирование. Следует отметить работы Л. Ф. Черногора и Ю. М. Ямпольского [7, 65 - 73]. Исследуется поведение доплеровского сдвига при прохождении области солнечного терминатора на закате и восходе, а также во время солнечных затмений. Кроме того, проводятся исследования процессов в высокоширотной ионосфере на антарктической станции.
В Арктическом и Антарктическом институте в настоящее время проводятся доплеровские исследования высокоширотной ионосферы, а также обрабатываются экспериментальные данные доплеровского зондирования прошлых лет [74 - 78]. Здесь стоит отметить важный вклад Н. Ф. Благовещенской, в работах которой исследуются доплеровские характеристики сигналов на наклонных трассах при наличии в ионосфере искусственных неоднородностей.
В Казанском (Приволжском) федеральном университете действует доплеровский фазо-угломерный комплекс «Спектр» [79 - 81]. Основное направление работы комплекса - исследование ионосферы методом наклонного зондирования и изучение периодических ионосферных процессов. Особенное внимание уделяется долгопериодическим процессам с периодом от 1 минуты до 60-ти суток. В Казани проводится значительная работа по автоматизации доплеровских измерений и информационного доступа к ним [82, 83].
В других странах также многие годы ведутся доплеровские ионосферные исследования различными группами ученых.
В Чехии Институтом Атмосферной физики развернута мощная система доплеровской диагностики ионосферы [84 - 90], состоящая на сегодняшний день из пяти излучателей и двух приемников, разнесенных на расстояние до двухсот километров. Такой комплекс позволяет проводить многочастотную доплеровскую диагностику значительной области ионосферы. Следует отметить интересные результаты, полученные этим инструментом, касающиеся возмущений в ионосфере во время землетрясения в марте 2011 года [89].
В КНР действует доплеровский радар загоризонтного зондирования около города Ухань (Wuhan) [91 - 94]. На этом комплексе изучаются ионосферные возмущения. Особое внимание уделяется методике такого рода измерений, а также изучению ионосферных откликов сейсмических процессов.
Следует отметить группы работ по доплеровским измерениям, посвященным ионосферным возмущениям, связанным с тектонической активностью [89, 94, 95, 96]. Такие работы ведутся уже несколько десятков лет. Известно, процессы внутри литосферных плит находят отклик в ионосфере. Доплеровский метод является подходящим инструментом для поиска таких откликов. Тем не менее, до сих пор неизвестны механизмы такого рода взаимодействия. В работе [95] описывается один из возможных таких механизмов. Возможно, что в будущем доплеровские измерения помогут найти в ионосфере не только последствия, но и предвестники землетрясения.
Корреляционный анализ временного хода доплеровского сдвига частоты
Известно, что в ионосфере происходят различные периодические или волновые процессы. Периоды таких процессов лежат в очень широких пределах. Многие работы, например [65, 66, 74, 75, 105, 107], посвящены изучению таких процессов доплеровским методом. Естественно предположить, что в представленных данных содержится информация о процессах, происходивших в момент зондирования и специфичных для низкоширотной ионосферы. Очевидно, что период таких процессов не должен превышать длину сеансов, иначе их просто невозможно будет обнаружить.
Корреляционный анализ является стандартным методом обработки данных [99, 100, 101, 109]. Хорошо известно, что с помощью корреляционного анализа можно обнаружить взаимосвязь (корреляции) между процессами, протекающими в разных областях ионосферы, и обнаружить периодические процессы.
Корреляции следует искать между временными зависимостями доплеровского сдвига в одном канале или между каналами. Таким способом можно обнаружить присутствие периодических процессов. Как известно, коэффициент парных корреляций Пирсона [109] между двумя наборами данных одинаковой длины находится по формуле:
В формуле (2.5) данные должны следовать через одинаковый временной интервал. Описанный выше алгоритм выделения временного хода доплеровского сдвига, очевидно, не выполняет это условие. Для перехода от такой зависимости к равношаговой, применим следующий подход: интерполируем имеющиеся зависимости и проведем выборку полученной функции через равный шаг. Т.к. исходные зависимости достаточно гладкие, можно воспользоваться простой линейной интерполяцией. В этом случае соседние точки исходного набора соединяются отрезками, образуя непрерывную ломаную линию. Равношаговый набор данных строится как значения интерполированного набора, взятые через одинаковый шаг. Данный подход показан на рис. 2.12. Точки исходной зависимости обозначены как f(i), а точки интерполированной функции показаны как f_int(і). fjnt(k+l)j(n+l)
После такой линейной интерполяции получается временной ход доплеровского сдвига в каждом канале для каждого сеанса, при этом значения взяты через равный интервал времени. Такие данные уже пригодны для корреляционного анализа.
В первую очередь были рассчитаны автокорреляции для каждого канала всех сеансов. Построение коэффициента корреляций с временным сдвигом или, что в данном случае то же самое, нормированных автокорреляционных функций проводилось двумя способами. В первом случае из исходных данных бралась первая половина точек, рассчитывался скользящий коэффициент корреляции между этой частью данных и часть аналогичной длины со сдвигом от начала сеанса до середины. В этом случае, очевидно, автокорреляционная функция была равна единице в момент сдвига равного нулю. Во втором случае сеанс делился на три части и также рассчитывался скользящий коэффициент корреляции между центральным набором данных и набором длиной в одну треть сеанса от начала до двух третей. В этом случае коэффициент корреляции достигал значения единицы в середине полученной зависимости.
Как показал анализ, в большинстве сеансов заметных корреляций не наблюдается, а полученная зависимость имеет вид как, например, на рис. 2.13. В зависимости от временного сдвига между выбранными массивами данных, значения парных коэффициентов корреляции в той или иной степени флуктуируют вокруг нулевого среднего значения. Такая картина характерна для типичного случайного процесса.
Тем не менее, в отдельных сеансах удалось обнаружить периодический характер корреляционной функции. На рис. 2.14 и 2.15 приведен коэффициент корреляции для канала 16 (10.9 МГц) сеанса 19:37 местного времени, построенными двумя вышеуказанными способами.
Хорошо просматривается периодический характер зависимости с периодом около одной минуты. Таким образом, экспериментальные данные позволяют определить наличие периодических процессов в ионосфере в области отражения зондирующей частоты. Подобные зависимости также удалось обнаружить на отдельных каналах в некоторых других сеансах.
Еще более интересный результат был обнаружен [106 - 108] при проведении кросс-корреляционного анализа. На рис. 2.16 представлены кросс-корелляционные функции между высшим и всеми остальными каналами сеанса 19:37 местного времени для естественной ионосферы.
Хорошо видны, хотя и слабые, но, безусловно имеющие место корреляции до уровня 0,4 с периодом около 1 минуты. Корреляции падают по мере удаления частоты канала от наивысшей, что является вполне ожидаемым: в области отражения верхней частоты происходит волновой процесс, распространяющийся на нижележащие слои, постепенно затухающий. Нужно отметить, что наблюдаемые корреляции относятся к естественной ионосфере без какой-либо модификации. Таким образом, обнаруженный процесс является чисто природным явлением.
Похожее явление удалось обнаружить для сеанса 20:31 местного времени. Как отмечалось выше, за несколько минут до начала этого сеанса была произведена инжекция плазмообразующего вещества в ионосферу. Таким образом, логично ожидать какую-либо реакцию ионосферы над кораблем на такое воздействие.
На рис. 2.17 приведены коэффициенты кросс-корреляции между 10-м и соседними каналами.
Корреляции в данном случае несколько ниже, чем в сеансе 19:37. Тем не менее, хорошо просматривается периодическая зависимость, но характер этой зависимости сложнее. Между каналами наблюдается смена корреляции и антикорреляции, что говорит о сложном возмущающем процессе в ионосфере, что является вполне ожидаемым результатом, т.к. во время проведения данного сеанса в ионосфере присутствовало искусственное возмущение.
Моделирование доплеровских спектров
Построение спектров экспериментальных данных в главе 2 показало, что спектры не всегда представляют локальный узкий пакет гармоник. Иногда наблюдались различные усложнения спектров. Для получения полной картины эксперимента требуется определить, что именно является причиной таких явлений и как это сказывается на полученных результатах [116, 117].
На рис. 3.12 представлен наблюдаемый нормированный доплеровский спектр для трех высших частот в одном из сеансов наблюдений.
Типичный вид доплеровского спектра - узкий пакет гармоник, положение которых в спектре зависит от динамики ионосферы. Именно такой спектр наблюдается в основном на протяжении всех сеансов эксперимента. Однако иногда имеет место ситуация, наблюдающаяся на рис. 3.12 на самом высокочастотном канале: в спектре присутствуют два узких пакета гармоник, разнесенных на величину более герца. Причем второй пакет (правый на рис. 3.12) присутствует в спектре только некоторый промежуток времени, порядка нескольких десятков секунд. При этом его амплитуда в какой-то момент может даже превышать амплитуду основного пакета. Это явление наблюдается в нескольких сеансах на разных частотах.
Такое явление может быть объяснено, в частности, сложной динамикой неоднородной структуры ионосферы. Возможно, это является проявлением горизонтальной неоднородности, что, вообще говоря, сильно усложняет задачу, т.к. многочастотная доплеровская диагностика в данном подходе предполагает наличие только вертикально неоднородной ионосферы и задача является пространственно одномерной. Однако объяснение появления второго пакета гармоник в спектре может быть дано и в рамках одномерной, плоской и горизонтально однородной модели ионосферы. Например, помимо движения фоновой ионосферы, которое в спектре порождает основной пакет гармоник, возможно наличие в ионосфере вертикально распространяющегося квазиволнового возмущения, амплитуда которого меняется со временем и с высотой. Такое возмущение и может создавать описываемую особенность в спектре. Зависимость амплитуды возмущения от высоты позволяет объяснить наличие двух пакетов гармоник только на одном из каналов.
Для проверки такого предположения можно также прибегнуть к компьютерному моделированию. Описанный выше алгоритм может быть применен и к этой задаче. Причем здесь не надо восстанавливать динамику, достаточно рассчитать изменения набега фазы ф по формуле (3.10) через равные промежутки времени и построить спектр сигнала вида (3.18). Формула (3.18) является аналогом гетеродинирования сигнала. В формуле (3.18) частоту сигнала следует выбрать 4 Гц - до этой частоты понижалась частота сигнала в эксперименте «Экваториальный триггер», частота оцифровки также может быть взята из эксперимента - 32 Гц.
При моделировании значения ср для каждого момента времени рассчитываются численным интегрированием фазового пути вдоль траектории распространения на фиксированной частоте.
В модели фоновая ионосфера представляется гауссоидой с максимумом на высоте zmax и величиной в максимуме, равной А. Характерная ширина - В. Возмущение представляет собой бегущую волну, амплитуда которой меняется с высотой также по гауссовому закону. Параметры возмущения необходимо подобрать так, чтобы функция (3.19) оставалась монотонной.
Для моделирования были выбраны следующие параметры: А = 12 МГц, А = 30 кГц, В = 30 км, В = 10 км, zmax= 350 км, z max = 200 км. Высоты максимумов равномерно движутся вверх со скоростью 2,5 м/с (ионосфера равномерно поднимается), а частота волны возмущения w выбрана 2 Гц. На рис. 3.13 представлены нормированные модельные доплеровские спектры для частот 1 и 5.29 МГц.
Из рис. 3.13 следует, что доплеровский спектр сигнала (3.18) для частоты 1 МГц содержит один явный максимум на частоте чуть ниже 4-х Гц. Отклонение максимума от опорной частоты 4 Гц связано с удалением профиля вверх от наблюдателя. Частота 1 МГц в модели отражается от области профиля, где нет возмущения, поэтому в спектре наблюдается только одна гармоника. Подобно экспериментальному спектру (рис. 3.12), на рис. 3.13 наблюдается уширение спектра. Частота сигнала 5.29 МГц выбрана потому, что она отражается от участка профиля, где волновое возмущение проявляется наиболее сильно. Из рис. 3.13 видно, что спектр сигнала (3.18) на этой частоте состоит из большого числа гармоник с двумя ярко выраженными максимумами. Максимум на частоте около 4 Гц определяется отражением сигнала от фоновой составляющей профиля и аналогичен единственному максимуму, наблюдаемому в спектре сигнала 1 МГц. Второй максимум отстоит от первого на величину 2 Гц, что соответствует волновому возмущению профиля. Таким образом, показано, что наблюдаемые в эксперименте «Экваториальный триггер» два максимума (рис. 3.13) могут являться следствием волнового возмущения в ионосфере. Проведенное моделирование демонстрирует возможность интерпретации основных наблюдаемых в эксперименте особенностей доплеровских спектров: общее смещение спектра, связанное с подъемом ионосферного слоя, как целого; формирование дополнительной гармоники в спектре, обусловленной вертикально распространяющейся квазиволновой структурой возмущения концентрации плазмы в ионосфере. Очевидно, что добавление еще одного или нескольких волновых возмущений проявится в появлении соответствующих гармоник в спектре. Важно подчеркнуть тот факт, что моделирование позволяет воспроизвести спектры, подобные наблюдаемым экспериментально, в одномерном случае - в модели плоскослоистой ионосферы.
Оценка параметров вертикально перемещающейся неоднородности по данным многочастотного доплеровского зондирования
В предыдущем пункте была рассчитана динамика ионосферного профиля на протяжении сеанса 20:31 местного времени. Были получены зависимости высоты точек отражения (точнее, изменение высоты) каждой из зондирующих частот от времени. Анализ этих зависимостей показал, что ионосфера поднимается на протяжении почти всего сеанса, при этом на протяжении большей части сеанса подъем идет достаточно линейно для всех зондирующих частот.
Если рассмотреть поведение полученных зависимостей для частот 3,7 и 4,5 МГц (рис. 4.3), то можно видеть, что кривые имеют характерные изгибы вверх, разнесенные по времени на величину около 70 секунд. На рис. 4.5 эти участки помечены вертикальными рисками. Можно видеть, что изгибы достаточно похожи друг на друга. Такое поведение зависимостей высот отражения двух соседних зондирующих частот может быть объяснено движением через ионосферу неоднородности. Так как изгиб появляется на верхней кривой (частота 3,7 МГц) раньше, то неоднородность движется вверх. Ввиду того, что изгибы направлены вверх, неоднородность должна иметь более низкую концентрацию плазмы, чем фоновая ионосфера. Это означает, что наблюдаемая неоднородность может являться «пузырем» ионизации.
Для проверки этой гипотезы необходимо провести оценку параметров неоднородности по имеющимся данным и сравнить полученные результаты с известными характеристиками «пузырей». Часть параметров неоднородности можно получить непосредственно из рис. 4.5, а остальные параметры могут быть найдены с привлечением компьютерного моделирования.
В первую очередь, из рис. 4.5 может быть найдена скорость движения неоднородности. Для этого необходимо выделить на изгибах соответствующие друг другу точки, например, точки наибольшего отклонения, т.е. определить моменты прохождения максимума неоднородности через уровни отражения каждой из двух частот. На рис. 4.5 эти точки помечены круглыми маркерами, период времени между которыми составил величину около 70 секунд. Из модели начального профиля известно, что исходное расстояние между высотами отражения частот 3,7 и 4,5 МГц составляло величину около 20 км. Таким образом, оценочная скорость подъема неоднородности составляет величину около 285 м/с. В работе [32] приводятся значения скоростей подъема «пузырей» ионизации, которые обычно составляют величину 100 - 300 м/с. Это означает, что расчетная скорость движения неоднородности совпадает с характерными скоростями подъема «пузырей» в реальных условиях.
Из рис. 4.5 также можно попытаться определить характерные размеры неоднородности, однако для этого необходимо задать её форму. Это может быть сделано путем компьютерного моделирования подобно тому, как проводилось моделирование в третьей главе. Высоты отражения зондирующих частот в модели должны определяться по методике (3.14), чтобы полученные зависимости высот отражения от времени могли быть сопоставлены с теми, что изображены на рис. 4.5.
Для моделирования движения неоднородности в первую очередь необходимо задать модель фоновой ионосферы. Модель должна достаточно точно отражать поведение точек отражения зондирующих частот в соответствии с рис. 4.3 (по крайне мере для тех моментов времени, когда наблюдается прохождение неоднородностей). В модели достаточно ограничиться тремя первыми частотами. Из рис. 4.3 следует, что точки отражения первых трех частот удаляются вверх достаточно линейно, хотя кривая частоты 4,5 МГц имеет заметный изгиб к концу сеанса, а также довольно сильные отклонения от линейной зависимости по ходу сеанса. Это объясняется наличием в ионосфере других движений, кроме фонового и движения самой неоднородности. Из выражения (4.3) следует, что в модели фоновая ионосфера равномерно поднимается с течением времени. Выражение (4.2) имеет несколько более сложный вид. Введение выражения в скобках в формуле (4.2) обеспечивает более точное описание поведения фоновой ионосферы в начальные моменты времени. С увеличением времени выражение (4.2) становится аналогичным (4.3). Неизвестные параметры в выражениях (4.2) и (4.3) были найдены путем подбора значений таким образом, чтобы определенные по методике (3.14) профили достаточно точно описывали кривые с рис. 4.5 (за исключением неоднородностей). На рис. 4.6 показан результат такого моделирования (пунктирные линии соответствуют кривым с рис. 4.5, сплошные линии рассчитаны по методике (3.14)).
В формуле (4.4) предполагается, что положение неоднородности возрастает с течением времени со скоростью, которая была определена выше. Параметры А и В должны быть определены подбором. При этом необходимо добиться как можно большего совпадения расчетных точек отражения с кривыми на рис. 4.5. При этом совпадение должно произойти для обеих кривых. Конечно, сделанные допущения в фоновой модели ионосферы явно не позволят добиться полного совпадения результатов, однако в случае достаточно точного совпадения уже можно будет оценивать размеры и интенсивность неоднородности, а также качественно судить о её форме.
На рис. 4.7 показан пример подбора параметров формулы (4.4), для которой значения А и В были выбраны соответственно 60 кГц и 7 км. Пунктиром обозначена кривая, соответствующая частоте 3,7 МГц на рис. 4.5, сплошной линией обозначена линия, рассчитанная по методике (3.14) для соответствующей частоты. Перебор параметров показал, что добиться достаточно точного совпадения кривых при выборе формы неоднородности вида (4.4) не удается. Расчетная кривая всегда имела характерный провал после максимума, как на рис. 4.7. При этом вполне удавалось обеспечить совпадения максимумов расчетных и исходных кривых для обеих частот подбором скорости подъема неоднородности вблизи рассчитанной ранее скорости в 285 м/с.
Это указывает на необходимость изменения формы неоднородности. Наличие провала после максимума говорит о слишком быстром спаде неоднородности в этой её части. Если обратиться к рис. 1.1, где изображены стадии развития «пузыря» ионизации, то можно видеть, что «пузырь» имеет характерную грибовидную форму, которая образуется из-за резкого градиента в верхней части «пузыря» и вытягиванием последнего снизу. Это обстоятельство наводит на мысль использовать похожую форму для модели неоднородности. Для этого можно по-прежнему исходить из гауссовой формы неоднородности, но ввести некоторую асимметрию. Теперь может быть оценен характерный размер неоднородности. Из рис. 4.8 следует, что этот размер составляет величину порядка 80 км, что соответствует известным характеристикам «пузырей» ионизации [32].
