Введение к работе
Предмет диссертации
Объеятамп исследований, составивших материалы диссертации, являются пеоднотюдпостп ионосферной плаомы естественного п псжус-ственного происхождения, механизмы пх формирования, способы их кояпчествешюго описания п их влияние на ионосферное распространение радиоволн.
Ио всего многообразия проблем, свлоанных с неоднородно стами ионосферы, выделим іруг вопросов, рассматриваемых в диссертации, основываясь на том, что основные особенности неоднородной структуры определяются, с одной стороны, географическими (более верно - геомагнитными) регионами пх существования и, с другой стороны, высотными областями верхней атмосферы. В силу определенных тенденций раоиптпя радиофизических и геофизических исследований сложилась такая ситуация, что наибольшие успехи в поучении нерегуляр-постен ионосферной плаомы относятся к регионам высоких и ипохпх шпрот. Исследования неоднородностей ионосферы средних геомагнитных шпротах представлены в литературе несколько скромнее. В то же время имеются несомненные экспериментальные подтверждения существования ионосферных неоднородностей во всех геомагнитных регионах, включая средние широты. Таь, налрпмер, наиболее типичное проявление среднепшротных неоднородностей - явление среднеширот-ного F-рассеянпя - достаточно полно поучено морфологически, однако пока не нашло однозначной физической интерпретации. Именно неоднородная структура среднешпротной ионосферы и является-объектом теоретического пчученпя в представляемой диссертаций. Кроме того,, в круг рассматриваемых явлений включены процессы, протекающие только в верхней ионосфере - ее области F.
Поскодьіу, нараду со случайными естественными неоднородно-
стями в работе рассматриваются вопросы, связанные с антропогенны
ми воодействцями на ионосферу, п одесь укажем ограниченный іруг
рассматриваемых проблем. В свое время автором былд выполнены
работы, посвященные формированию искусственных неоднородностей
ионосферы, обусловленных воодедстваем мощных радиоволн и влия
нию Tasjix неоднородностей на распространение радиоволн, что соста-"
вило предмет его кандидатской диссертации. В определенном смысле в
продолжение тех исследований в данной дпесергащщ рассматриваются
искусственные неоднородности (воомущения), свяошшые О ШІІКЄЕЦПЄЙ
в верхнюю атмосферу даао'мообраоующих веществ с борта космиче
ских аппаратов.
Параллельно с геофизическими аспектами проблемы ионосферных неоднородностей в диссертации рассматриваются вопросы их влияния на распространение радиоволн. Здесь автор ограничился поучением проявлений нерегулярностей и искусственных возмущений в
I
диапазоне декаметрових волн.
Значительное лшшанне уделено в диссертации вопросам радиофизической диагностики регулярной ионосферы, искусственных ионосферных возмущений и их случайно неоднородной структуры.
Актуальность проблемы
Одним ЕЗ вакиых направлений фиалки огошэ ємного космического пространства является теорехическое песцедованце ц математическое моделирование случайной неоднородное структуры ионосферы. С одной стороны, ото обусловлено практическими потребностями разработки и эксплуатации раоиообраоных радиотехнических систем, для которых важен учет флуктуации параметров среды распространения радиосигналов - радиоастрономических инструментов, систем евдои, радионавигации, радиолокации. С другой стороны, ионосфера являет-
ся "природной лабораторией" для исследований физических процессов и ппаоне, поставляющей информацию' плі {экспериментальной проверки тех или иных физических представлений, а также для развития методов диагностики (в. первую очередь - радиофтзичесжой) среды. В этом плане понятной становится актуальность одной по оадач, рассмотренных в диссертации - поучение механизмов генерации случайных пеоднородностей в ионосфере.
В настоящее время лерхняя атмосфера Земли испытывает (значительные воздействия антропогенного характера, среди которых существенную роль играют выбросы на ионосферных высотах различных химических веществ, как в рсоультате работы двигателей коемпчеехпх аппаратов, так и при проведении специальных оксперпментоп по пи-лсекцпп, в частности, плаомообраоугощпх веществ. Поскольку, такие воздействия теперь являются далеко не единичными, а скорее наоборот, постоянно присутствующими, их поучение и описания являются весьма актуальными. В диссертации рассмотрена частная, но очень интересная проблема фпопкп пегусственных плазменных обраоованпй - формирование их неоднородной структуры (стратификации), которая уверенно наблюдалась в экспериментах.
Поскольку все типы пеоднородностей так пли иначе должны проявляться при распространении радиоволн, актуальной является проблема анализа таких проявлении. Эта проблема имеет два важных аспекта. Во-пер.шх, представляет интерес решение прямых оадач распространения радиоволн - определение качественной картины п количественных характеристик воздействия неоднородной структур,г ионосферы на параметры распространения. Во-вторых, весьма актуальным является пзу ение возможностей решения обратных оадач распространения - диагностики ионосферных пеоднородностей по дан-ным радиофизических экспериментов. Рассмотрению отих аспектов проблемы посвящена значительная часть материалов диссертации.
В результате интенсивных (экспериментальных исследований последних лет в области создания и изучения искусственных пяаомен-ных неоднородностей в ионосфере накоплено большое количество первичных данных, которые во многом еще не подвергнуты обработке и интерпретации. Это относится, в частности, и к уникальным експериментам, проведенным Институтом прикладной геофиошш им. академика Е.К. Федорова Роскомгидромета. Для круга оадач, рассма--триваемых в диссертации, наибольший интерес представляют данные такого сорта, полученные радиофизическими методами. В рамках те-t сного взаимодействия автора с коллективом сотрудников НПГ была проведена работа по обработке и интерпретации части отих данных, что и составило одну но наиболее важных частей работы.
Цель работы
При подготовке диссертации автор поставил целью по boomos-иости в связанном подходе рассмотреть физические механизмы генерации естественных неоднородностеп в среднеширотной области F.ионосферы, сформулировать количественное описание (математическую модель) одного по типов таких неоднородностей, и методами вычислительного окслернмента исследовать влияние неоднородной структуры, на распространение радиоволн в ионосфере.
Применительно ж вопросам, связанных с искусственными неод-нородностями, цели работы, примерно, аналогичны. Однако следует отметить, что в круг оадач работы не вошли проблемы теоретического изучения ДЕнампкц самого искусствен, зго плазменного облака - таким исследованиям посвящен чрезвычайно большой список публикаций. Здесь же объектом теоретического анализа являются проблемы воонипговения и эволюции неоднородной структуры искусственных возмущений. В плане поучения влияния искусственных возмущении на распространение радиоволн, наоборот, рассматривается такое
влпяпие самого плапмеїпіого облака "п среднем", как наиболее ярко
выраженный оффевт. ' ;
Наряду с перечисленными выше целями.работы, связанными в большеп степени с теоретическими и модельными раоработками, в оадачп диссертации пошли и экспериментальные псследования. "вторичного" характера. Последний термин предполагает отрядить тот факт, что автор не принимал непосредственного участил в окспернмен-тальных работах, п его роль одесь оаключалась и раоработке методик, алгоритмов и програми обработки данных и интерпретации полученных результатов. С такой оговоркой к целям работы следует отнестп и апалпо экспериментов по раппофиопчесжой диагностике ионосферных неоднородно степ естественного п искусственного происхождения.
Новжша работы
Далее сформулиропаньї наиболее важные положения диссертации, которые могут претендовать на ту или иную степень оригинальности, то есть не имеющие, полностью пли частично, аналогов в предыдущих исследованиях.
1. Раовпт новый способ теоретического апалиоа условии воо-
ппкновенпя плаомениых неустойчпвостей в сильно неоднородной ио-
посфере - нелокальное описание устойчивости ионосферной плаомы,
псоволяющий существенно более адекватно рассматривать плаомен-
ные мехапшзм j вообуидения неоднородностей в ионосфере по сравне
нию с "классическим" методом аналиоа дисперсионного уравнения.
Па основе такого способа проаналиопрованы условия вооникно; знпя
неустойчивостей п естественной средиешнротной ионосфере и искус
ственных плаомеи ых воомущенпях в околоземном космическом про
странстве. ., .
2. Предложен }ювый механиом формирования неоднородной
структуры среднеширотной ионосферы п ночных условиях". Количе-
стьенное описание отого механизма доведено до формы математической модели такого класса неоднородностей, представляемой с раолнч- _ лоп степенью деталноацпи, раоличним набором входных параметров (в зависимости от задач использования модели). На основе предложенной модели н путем вычислительного эксперимента проведен анапно (с оценочной точностью) влияния нерегулярной структуры среднеши-ротной области F на ионосферное распространение радиоволн.
3. Впервые пропеден анализ возбуждения и развития плаз
менных неустойчивостея в искусственных возмущениях в нелокаль
ном подходе и исследованы вїпапьі различных процессов д инкремент
нестабнлыюстей. Показана возможность генерации неоднородностей
плазменными неустойчиво стами, и рассмотрена геометрия оон воз
буждения неоднородиостей. В приближении трехполиового взаимодей
ствия проведены оценочные расчеты, и рассмотрен качественный ха
рактер нелинейной стадии раввптіш неустойчивостей в искусственных
плазменных облаках в ионосфере.
4. Па основе численных расчетов впервые поучены и спрогно
зированы количественные характеристики возможного влияния искус
ственных ионосферных возмущений на работу радпосредств KB дпа-
иаооиа.
5. С использованием разработанных в диссертации методик об-
работки результатов радиофизической диагностики ионосферы впер
вые представлена картина временных оволгацнп ншзкошщютной ио
носферы, искусственных плазменных возмущений и случайно неодно
родной структуры ионосферы и искусственных возмущений.
Научная и практическая ценность работы
Научная значимость работы определяется, в первую очередь, тем, что, как надеется автор, в Диссертации развит ряд новых физических представлений о характере плазменных процессов в ноносфе-
ре, позволяющих, в некоторой степени, продвинуться d понимании механизмов формирования случайных нсоднородиостеи в естественной и искусственной охолбземной плаїзме. Не меньшую научную ценность представляют полученные пдесь результаты диагностики ионосферы хак фактический материал для количественной и качественной проверки тех или иных представлений и моделей соответствующих ионосферных процессов.
Практическая ценность работыоаключается, во-первых, п создании молили одного по типов нсоднородиостеи, которая может быть пс-польоована для решения ряда прикладных оадач. Во-вторых, практический интерес должны представлять результаты моделирования распространения радиоволн в присутствии, искусственных и естественных неоднородностей. Эти результаты могут быть учтены при проектировании и эксплуатации различных радиотехнических систем, использующих ионосферное распространение радиоволн.
Структура и объем работы
