Введение к работе
Актуальность работы. Диссертационная работа посвящена вопросам экспериментальных исследований распространения декаметровых-деци-метровых (ДКМВ - ДМВ) радиоволн в возмущённых условиях среднеши-ротной ионосферы. При этом акцент сделан на изучении влияния наиболее часто встречающегося в F-слое ионосферы возмущения, приводящего к диффузности отражённых радиосигналов (явление F-spread) как в естественных условиях, так и искусственного происхождения.
Явление F-spread, проявляющееся в том, что при импульсном зондировании ионосферы длительность отражённого от F области сигнала значительно превышает длительность зондирующего импульса, было обнаружено Букером более полувека назад [1]. Исследованию данного явления посвящено множество работ (см., например, монографию [2] и цитируемую там литературу). Но подавляющее большинство работ было ориентировано на изучение морфологии явления и лишь ряд работ [3-5] был посвящен изучению физики F-spread. В частности, в работе [4] явление F-spread объяснялось рефракционным рассеянием радиоволн случайными крупномасштабными неоднородностями ионосферы, а в работе [5] явление связывалось с квазирегулярным отражением радиоволн от дискретной неоднородной структуры ионосферы. В то же время, вклад неоднородностей различных масштабов в явление F-spread, так же как и физическая природа этих неоднородностей, до настоящего времени исследован далеко недостаточно.
Особо следует отметить то обстоятельство, что экспериментальным исследованиям флуктуационных характеристик отражённых от ионосферы KB сигналов в условиях среднеширотного F-spread за всю более чем пятидесятилетнюю историю исследований этого явления было посвящено всего несколько работ. В наиболее полной из них [6] определялись одномерные амплитудные распределения отражённых сигналов. Детальные исследования статистических характеристик при распространении ДКМВ - ДМВ радио-.волн в условиях F-spread не проводились.
Воздействие мощным высокочастотным (ВЧ) излучением на ионосферу позволяет моделировать процессы и явления, наблюдаемые в естественных (без целенаправленного воздействия) условиях. Искусственный F-spread является одним из таких явлений. Его исследование также представляет интерес с точки зрения выяснения механизма происхождения явления F-spread (и неоднородностей ионосферной плазмы, за него ответственных) в естественных условиях, особенно на средних широтах.
Явление искусственного F-рассеяния фрагментарно изучалось в ряде работ отечественных и зарубежных исследователей. Как и в случае естественного F-spread, акцент был сделан на изучении морфологии явления (см., например, [7]). Экспериментальных исследований статистических ха-
рактеристик отражённых сигналов в условиях искусственного F-spread не проводилось. Полного решения проблемы флуктуацнонных явлений при распространении радиоволн в условиях искусственного F-spread не получено практически по тем же причинам, что и для случая естественного F-spread.
За последний десятилетия накоплен значительный материал об естественном F-рассеянии для разных географических условии и фаз солнечной активности. Анализ накопленного материала позволяет с большой достоверностью прогнозировать его появление для различных геофизических условий. Важным обстоятельством является возможность использования явления F-spread в качестве индикатора возмущекпости ионосферы. Это в свою очередь, позволяет говорить об обнаружении и возможном контроле техногенного влияния на высотах F-слоя ионосферы. Последнее ставит на повестку дня проблему экологии ионосферы.
Что касается вопросов распространения ДКМВ-ДМВ радиоволн в возмущенной ионосфере, то они представляют существенный интерес для специалистов радиосвязи. Экспериментальные исследования этих проблем в условиях среднеширотного F-spread, имеющего особенности, присущие как экваториальному, так и приполярному явлениям, позволяют уточнить влияние ионосферных возмущений на распространение радиоволн, исследовать и объяснить механизм взаимодействия радиоволн с ионосферной плазмой, оценить надежность систем коротковолновой (КВ)-ультракорот-коволновой (УКВ) связи в различных геофизических условиях.
Только в последнее время была создана модель среднеширотного F-spread [8], которая на основе теории дифракции радиоволн в условиях их многолучевого распространения в ионосфере достаточно хорошо описывает: структуру отраженного KB сигнала как для естественного, так и искусственного F-spread. Необходимой предпосылкой появления этой модели послужила серия экспериментов по уточнению структуры отраженного KB сигнала в условиях F-spread, результаты которых изложены в настоящей диссертации.
Цель работы. Цель настоящей диссертационной работы - экспериментальные исследования особенностей распространения декаметровых-дециметровых радиоволн в возмущённых условиях среднеширотной ионосферы и уточнение роли крупномасштабных кеоднородностей ионосферы в формировании явления среднеширотного F-spread естественного и искусственного происхождения.
Научная новизна работы определяется следующими результатами, полученными впервые:
1. Обнаружено аномальное увеличение многолучёвости принимаемых KB сигналов во время ионосферного F-spread: при использовании остро-
направленной антенны длительность отражённого многолучевого сигнала значительно возрастала по сравнению с приемом на слабонаправленную антенну.
2. Экспериментально установлена определяющая роль крупномасштаб
ных (I > 10 км) неоднородностей электронной концентрации ионосферы в
формировании среднеширотного F-spread.
-
Определен диапазон рабочих частот , в котором наблюдается эффективное воздействие на ионосферу мощным KB радиоизлучением при генерации искусственного F-spread.
-
Определена пороговая эффективная мощность волны накачки при генерации искусственного F-spread к установлены времена развития и релаксации этого явления.
-
Выявлена сложная зависимость интенсивности F-spread от фазы солнечной активности (почти эа три цикла солнечной активности по данным станции Нижний Новгород). Обнаружен рост интенсивности F-spread (как для среднесуточных, так и для ночных и дневных условий наблюдений) со временем. Предполагается, что такой рост может носить техногенный характер (тем более, что анализ [9] показал тенденцию к уменьшению по-являемости F-spread в субботние и воскресные дни).
6. Проведены наблюдения мерцаний сигналов искусственной ионосфер
ной турбулентности под разными углами пуча зрения относительно сн-
ловых линии геомагнитного поля В , в результате которых был оценен
внутренний масштаб турбулентности вдоль В .
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 КВ-УКВ диапазонов;
при анализе экспериментальных данных, полученных в результате исследований условий ионосферного распространения радиоволн и для уточнения прогноза прохождения ДКМВ-ДМВ радиоволн в условиях средних широт.
На защиту выносятся:
1.Результаты экспериментальных исследований распространения дека-метровых-дециметровых радиоволн в условиях естественного и искусственного F-spread среднешироткой ионосферы методами импульсного вертикального зондирования и радиопросвечивания сигналами искусственных спутников Земли (ИСЗ).
2. Результаты анализа данных интенсивности естественного F-spread за два цикла солнечной активности.
3. Принципы построения аппаратурных комплексов для исследования структуры ДКМВ-ДМВ сигналов в возмущенных условиях сргднеширотной ионосферы.
Личный вклад автора в проведенные исследования выразился в следующем:
в части подготовки к экспериментам на полигоне Ш'ІРФІЇ в Зименках Нижегородской области под руководством и при непосредственном участии автора был проведен монтаж автоматизированной станции KB зондирования ионосферы типа "Сойка-6000", создан приемный комплекс для проведения измерений сигналов орбитальных ИСЗ системы "Транзит" на частотах 150 и 400 МГц, установлен комплекс антенн вертикального зондирования и реализована схема коммутации;
в части проведения экспериментальных исследований при непосредственном участии автора были выполнены все основные измерения, результаты которых выносятся на защиту;
интерпретация данных измерений при исследовании многолучёвости и флуктуационных характеристик радиосигналов в возмущённых условиях среднешнротной ионосферы проводилась совместно с научным руководителем В.А.Алимовым;
- исследование морфологических особенностей среднеширотного F-
spreacl были инициированы автором , их анализ і! интерпретация, изло
женные в настоящей работе, выполнены автором лично.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на общеинстнтутском статистическом семинаре НИРФЇЇ, на III международном симпозиуме URSI по модификации ионосферы мощным радиоизлучением ( ISIM-3) в Суздале в 1991 г., межведомственном совещании-семинаре "Явление F-spread в естественных условиях и во время возмущения ионосферы мощным KB передатчиком" (Горький, 1988 г.). Работа выполнялась в рамках НИР НИРФИ и грантов РФФИ 95-02-03716 и 93-02-3360.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, содержит 132 страницы печатного текста, 36 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 129 наименований.
