Введение к работе
Актуальность тены дпссертатіп. Сртцествованне нерегулярной структуры ионосферы является признанным фактом, значение которого определяете:! геофизическим и радиофизическим аспектами. Случайные неоднородности нлег*-
ТроШЮЙ Концентрации ТесИО СПЯЯаНЫ С НСУСТОКЧНПОСТЬЮ И "ГурбуЛеНТНОСТМО я
верхних слоях атмосферы, оказьшаіот влияние на Kpyni*r:.*acitr?a6*R-"t пронесся
I!C[>CHOCa ЭИСрПШ І! ПМІїуЛЬСа И МОГуТ СЛуЖІГГЬ ИХ ПНДІШ.ІГОрЗН''. Рлд:і;-физч,ГГ\''
известны многочисленные эффекты, обусловленные нерегулярне:*» с:,,., ;;г,у.--" ионосферы. Это, например, замирание-радиоволн, многолу*'лю;т?і, іш -рассеяниг, мерцание радиосигналом, различные нилм рассеяния. Ие оценен > дімічной мере, но, пилимо, присутствует экологический аспект сущсстіиіпання ИОИОСфсрНМХ нсоднородпостей. В последнее прсмя биофизикам*; обнаружен ряд примеров сильного отклика ,;«>- органтезкоп на слабые внешние позденстпим. Не не-клгочгнп, что какой-либо из механизмов таких воздействий включает в себя малые возмущения электронной концентрации ионосферы.
Несмотря на столь важные аспекты существования ионосферных иеодно-родпостей. имеющаяся информация о них далека от полноты. Не' изучено и деталях пространственное и временное распределение их урошія, неясны причинно-следственные связи, приводящие к их образованию, не ксследочана их иерархическая роль в глобальной ионосферной кинетике и электродинамике. Приходится констатировать, что усилия геофизиков по совершенствованию детерминированных моделей ионосферы ие сопровождаются столь же интенсивным, рассмотрением природы нерегулярного изменения ее параметров. Эта ситуация тесно связана с положением в соогвстстпуіощсй области радиофизики, поскольку именно радиофизические методы дают основной объем информации о нерегулярной структуре ионосферы, и основными потребителями этой информации являются специалисты по распространению радиоволн. Распространение поли п случайно-неоднородных средах как научное направление п последние десятилетня развивается очень бурно. Получено много интересных и важных результатов, как теоретических, так и экспериментальных. Вместе с тем. исследование воздействия ие|)егулярі'он структуры ио11осе{>сры па параметр»-! радиосигнал^:* еще далеко от завершения. Об этом .видетелглтпуст янупп'Т'мы'ын перечень аномальных явлений, наблюдаемых пр.і распространении коротких ралнозо*.*;,
Которые Предположительно СМЯГіаНМ С НОНОСферНЫМИ НЄОДНОГ!,>Д';<м-.-Г'',.Ш. /lo'ii-
нейшее і!(юді:нжепие в лпі'І об части требует исііо.мі'іовгпчй счмчпнх ''«пичггкгу
моделей, более адекватных |>салы1ым ионосферным условиям, и более стротх и |)»|||ыл математических методой. Сказанного достаточно, чтобы сделать вывод о іом, кічі развитие тео(ипических и экспериментальных средсти исследоііанііИ природы ионосферных псоднородностей и связанных с ними радиофизических аОДіектон ивляется актуалі>пой н.іучіїий задачей.
Кратко охарактеризуем основные проблемы, сдерживающие разшпне данной области.
а) Имеет место недооценка значенім нероу лирной структуры иоікхірсрьь
для практики ионосферного jjaaipoc-rpaneiiiu радиоволн. Часто предполагается,
что действие случайных псоднородностей следует учитывать только u периоды
возмущенной ионосферы, весьма грубым критерием которых служит нарушение
регулярності і следои на номограммах вертикального зондирования.
б) Недостаточно (>азинт тсо|>стичсскнй аппарат дли .описания зффектон
небулярной структуры при ионосферном расП|хмтранспии раднонолн. Ьезус-
лоино, есть методы (например, метод радномерцаннй, метод раднотомографин,
меюд когерентного рассеяния, метод нагреиных ішздейстнпй), теоретические
основы которых глубоко разработаны, дающие пенную информацию об ионос
ферных пеодпо|)олностях. Существует также несколько методов, позволяющих
численно моделировать структуру волновых полей и нереіулярном радиоканале.
Однако, из-за сложности проблемы исследователи иын>жлсны прибегать к це
лому ряду серьезных упрощений. Например, часто ионосфер моделируется
слоем шюгропной плазмы. Используется далекий от реальности пространствен
ный спектр мелкомасштабных неодно(юдностей (гауссовскнн вместо степенного,
изотропный вместо анизотропного) или само случайное ноле пеодпородпостей
заменяется па детерминированную структуру. Используется борцовское прибли
жение тіім, где может оказаться существенным многодетное рассеяние. Рас
сматриваются скалярные волпоаые поля вместо векторных. В |к.'зулыаге к числу
не решенных до сих пор фундаментальных проблем относится задача об отраже
нии от нлоскостратифнцироаанного слоя ыапштоактншюн плазмы с широким
спектром случайных псоднородностей. когда прнсутстиуют сильніше искажения
шліюиого фронта н/или многократное рассеяние.
и) Наблюдается недостаток средств диагностики нерегулярной структуры ионосферы, адекватных глобальному характеру распределения ионосферных пео-..нородностей и нацеленных па разиш не системы нх мониторинга. Уже упомянутые мощные методы позволяют получать хорошие результаты в исследовательских целях, но не предназначены дли широкого распространения, поскольку гре-
буют создания сложны): и дорогостоящих наземных или наземно-коемнческих комплексов. Видимо, поставляемая ими информация в обозримой иерспектнпс будет ограничена небольшим числом географических пунктов. В то же время. наиболее доступный метод исследования ионосферы - наземное или внешнее пегликалыюе радиозондирование - практически не испоньяуется для диагностики ее нерегулярной структуры. Причина, на наш пзгляд, заключается не п отсутствии СООТВеТСТИуЮЩИХ ЭффеКТОП, а В ОТСУТСТВИИ Необходимой МСТОДНК1- .14 -it-
лякицен связать параметры пространственного спектра ионосферных не<'п,-постен с характеристиками енпіала нергикального зондирования.
Все выни'и сложенное позволяет сформулировать цела ««гЗотм стиму/н ровать разниnft радиозондирования как истода исследование нерегулярной пространственной структуры нонооЬеры - и вытекающие из нее оспенные задпчи:
1) Проанализировать воздействие нерегулярней структури ионосферной
плазмы на основные параметры сигнала радиозондирования (его интенсивность,
полп^чзапню, углы ипихчда) в условиях спокойной ионосферы, '.игобо выделяя случаи, когда такое воідснстпне значительно.
2) Предложить теоретические средства, необходимые для достаточно
точного описания механизма воздействия нерегулярной структуры ионосферы на
сигнал радиозондирования.
3) Разработать основы методики обработки сигналов радиозондирования
ко1юс(|кры, нацеленной ча получение информации о параметрах се нерегулярной
структуры.
Научная яовизаа. Основные результаты, полученные в работе, япляютсп новыми, что определяется как кругом поставленных задач, таї; и методами их решения. Впервые получены решения целого ряда абсолютных задач теории рассеяния (то есть задач, п.. которых важную роль играет нормировка пространственного спектра мслкомасйгтабнмх' псодпородиосісн), чпі позволило' получить результаты, пригодные для сопоставления с экспериментальными данными по аномальному ослаблению радиоволн,, аномальной рефракции, оорагному рассея-ни!о н т. п. Пр<'.г\ожепы попыс-сибсобм-апалитпческого н численного исследования, позволяющие отказаться от излишней идеализации решаемый задач и ввести в рассмотрение близкий к реальному спектр неоднородностги, излучение произвольного радиоисточника вместо плоской полны, гиротроииіо среды, учесть возможное многократное рассеяние при ионосферном распространении радиоволн. Разработано несколько новых орстическнх инструмент» для эффективного решения мдач, связанных с распространением радиоволн п случайно-пео-
днородпон маїшп «активной плазме: уравнение переноса излучения, уравнение баланса анергии излучения и нлоскостратифицкроиашіом слое, приближение малоуглонуго рассекпня в инвариантных координатах, методика расчета аномального поглощения обыкновенных волн и резонансной области плазмы с использованием сечении кросс-модоиого рассеяния, алгоритм расчета мощности обратно-рассеянных сигналон /-моды при радиозондировании внутри плазменного слоя, модель формирования искажений поляризации при многолучевых отражениях от слоя плазмы со среднемасштабными иеоднородностями, 'метод возмущений для па|кімст(нш поляризации радиоиолн при кросс-модоіюм рассеянии. Впервые даію адекватное качественное и количественное объяснение нескольким наблюдаемым експериментально аффектам: аномальному ослаблению радиоволн, их ан мольной рефракции, диффузным следам z-моды на монограммах шісшнего зондирования, искажениям поляризации сишалов вертикального зондирования ионосферы. К числу наиболее важных новых результатов относятся следующие:
показано, что оптическая толщина ионосферного слоя при вертикальном зондировании (а и некоторых случаях и при наклонном распространении) в спокойных гслиогсофизических условиях может существенно превышать единицу;
получена связь величины аномального ослабления и аномальной рефракции радиоволн с параметрами спектра мелкомасштабных ионосферных нео-длородностей;
и.^к'дсмчю соотношение икладов а аномальное ослабление обыкновенных волн, обусловленных обычным и кросс-модовым рассеянием;
ua осноие оригинальной методики по данным восьми сеансов радиозондирования с борта ИСЗ "Космос-1809" получено распределение уровня мелкомасштабных псоднородностей на высоте 900 - 1000 км вдоль меридиана полдень-полночь для летнего сезона 1987 года;
установлено, что основной причиной силыш'х искажений полярнзацш сигналов вертикального зондирования ионосферы является интерференция не-коллннеариых волновых полей при многолучевых от)>аженнях;
на основе механизма кросс-модоаого рассеяния найдена связь флук> туаций угла ориентации эллипса поляризации выходящих из ионоа(>еры радио волн с параметрами спектра мелкомасштабных неоднородностей злектронноі концентрации.
Обоснованность н достоверность теоретических рез'ультатои полученных и диссертации, обеїиечниаеіся использованием строгих магема тических меюдон решения аадач электродинамики случайно-пеодно[юдиой плаз
мііі. пыГю|И1М математических моделей, адекватных реальным физическим уело-икнм її ионосфере Н< є основные рс!ум.таты дисссргацнпшіой рлҐЮТМ іюдгпсрж-тены лиллтом внутреннем непротиворечивости используемых методов решения. і|і.ішк-ниєм г зксперичгнтл ч.пычи данными. Во многих случаях результаты цо\учепы нсскочікичп рлччічнмчи способами.
На защит* пыносятсп следующие оеноппме положения:
1. І Ірії уровне воімумісппй. характерним для спокойных гслнорго-ірнлпческіїх условий, нерегулярная структура ионосферы оказывает значительное нлнлпке па распространение радиоволн. Амплитуды нсоднородностей AN/N порядка 0.1о к масштабе І км достаточно, чтобы ионосфера бьиа многократно рлсссивлюшсй с[М'дой для сім налом вертикального зппднронанпя (а н некоторых случаях м .г^я наклонно распространяющихся раднополн). Это может приводить к отклонению основного потока энергии от направления зеркального отражения. П(Я! уровне средиемасп1тлГ,пых (10-100 км) пеодпородпостей ионосферы норяд-к.1 песком.ких пропетом близка к единице вероятность наблюдения многолучевых отражений при вертикальном зондировании.
2 Par сеяние на мс\кочасп|табпых неоднородпостях ионосферы яплястсп одним ич ос ионных механизмов апома ослабления раднополн. при пертн-К.1М.ІЮМ зондировании. В случае единого степенного спектра мелкомасштабных пеодпородпостей кросс-чодопое рассеяние пблизн уровня отражения дает относительно малый вклад в аномальное ослабление обыкновенных поли. Однако, ею ргіль может окаытъея значительнее, если по каким либо причинам I) ионосферной плазме нффекпшно протекают процессы і[>ормироиання неоднородносгей с размерами менее длины іюміьі зондирующего радиосигнала п вакууме.
3. Основным механизмом искажений поляризации при вертикальном зои-дироііаппп ионосферы в частотном диапазоне, где обыкновенная и нс-обыкно-венная моды разделены, является интерференция пеколлинеарпых полковых по лен при многолучевых отражениях от ионосферного слоя плазмы со сроднемасш-табпымн иеоднородиостими. В ({юрмироімкии поляризационных характеристик суммарного поля в месте расположения измерительного комплекса принимают участие таки;е отражения от поверхности, над которой расположены антенны.
-4 і І.інболсе удобным сродством .vol создания системы глобального мо-ніічсришл переіл мір.пои структуры ионосферы янхистся наземное и внешнее радиозондирование. ( ипіал вертикал.люї о зондирования подвергается комп-М'ксночу но ідсіісгвию ионосферных неодичродшнпси р-лч.мічніїгх масштабов. Пі'Я'Мі ряд :м'к|ц-к і с;ц (аіюм, міног ослабление обыкновенных цом(, обратное
рассеяние г-нолл при зондировании с пскусстнспиы.х спутников Земли, ало малыюс ослабление іюліі ислсдетиис многократного рассеяния) позволяют диагностировать как у/х»»сль мелкомасштабных псодпородлостей, так и форму их пространственного спектра. Поляризационные ишерсиші также могут-служить lit 1 очником информации о' на(>амстрах средпемасініаГшол н мелкомасштабной структуры ионосферы.
Научная и практическая цсыиость работы оп|х-делнетоі следующим! ре іультатами:
1. Продемонстрирована необходимость носі опцію: о учета ,-іффск і'ок, об) і
ловлепных нерегулярной структурой ионосферы, а задачах, снизанных с ионос
ферным распространением радиоволн.
2. Выработан инструмент для описання промессой мноіокраіного рассе
лиан и машнеоактиннон плазме, киюрмй мо;:;ет найти применение в т-орн
ІІЄ))ЄПОСа ІІЗЛуЧеІІІіа И Космической И СОЛПеЧН.іЙ П'іаіМС, 11 HViiMC A.liejto!» плазме управляемого гермоидерп»! si <тп:!е<а
>. Дано ctjjoio.: лолнчсстиеньис о;:г...::...„ беч сті. м.попи ге \ьпых поісо анергии и искажений пилирпзаьин р.ідпо.іч.-..і нрн і;срі;:.чальпом зоиднрова:;п Ионосферы, что переводит атн аффекты їм разряда аномальных явлений u cijiej практического применения.
-
Исследованные закономерности аффектов аномального ослаблення аномальной рефракции радноиолн прсдсіан\нюг пнгерес диі разрабогг.іков г.тіі тем связи, радиолокации, радиопеленгации, радионавигации, а также для радні астрономии.
-
Предложенная и настоящей работе физическая модель формнрошші искажений поляризации сигналои вертикального зондирования может быть и пользована для моделироианпя более общей ситуации ионосферного распростр пенни радноиолн. В частности, она может примениться и задачах поляризацію ного согласования антенн короткопол!юного диапазона.
6 Заложены основы нескольких методов диагностики, нацеленных значіпсльпое увеличение обьема н улучшение качества информации о uvp.-i ЛЕГШОЇ! Оруыурс ионосферы.
7. Реалп;;аціа! диагностических iuijmo.;,попей, намекающих ''..< pt-зультаі іііїсіоііщеі". ,пі.:\ц>:, открои.<ч- ііоі<::іе -. ор'л:-.<;:;'П-/ і! j)i; 'іитпг і: v.rcnMC'-'.-.H-o со-стиа исследования ионосферы - вертикального радиозондирования.
Полученные результаты могут быть использонаны в научи учреждениях, проіюдящпх исследовании по проблемам физики околоземп
космическое пространстна. физики плазмы н распространения радиоволн: ИЗМИРЛН. ИПГ. НИРФИ. МГУ. С.-ПбГУ, МФТИ.'ИКИ. ПГИ. ИПФАЫ. ИФЗ. ИРЭ. СФТИ. ИІУ. НИИДАР. НИИСГУ н лр.
Реализация результатов. Полученные результаты отражены в отчетах по выполненным в НИИ физики РГУ научно-исследовательским работам: "Исследовать процессы диссипации энергии радиоволн п околоземной плазме и их связь с гелиогеофнзнческимн явлениями применительно к задачам прогноза и контроля" (№ гос. per. 0186.0006566) п рамках ОНТП 047 "Природные ресурсы" (заданtfc ГКНТ СССР 0.79.09), "Исследование глобальных характеристик мелкомасштабной турбулентности околоземной плазмы на основе нового способа диагностики но данным радиозондирования с ИСЗ" D рамках межвузовской программы ГКВШ РФ "Геокосмос" (приказ ГКВШ РФ №366 от 24.06.92 г.), 'Исследование эффектов многократного рассеяния радиоволн в плоскостратнфнцированном слое мапінтоактнпнон плазмы со случайными неоднородности мн на основе решения уравнения переноса излучения" по гранту РФФИ (проект №94-02-03337-а). а также использовались в ИЗМИРАН, ИПГ. НИИДАР и 11ИИССУ при проведении совместных работ.
Лпробадня работы. Оснопігьіе результаты работы докладывались на семинарах отдела космических исследований и отдельной лаборатории электродинамики космической п\азмы НИИ физики при РГУ, семинаре теоретического отдела НИРФИ. на семинаре по ионосферному распространению рлдиовомі (г. Мурманск, апрель 1988 г.). їй Всесоюзном совещании по программе WAGS (пос. Чолнон-Ата, сентябрь 1988 г.), на Международном семинаре "Результаты комплексных иселедоваїтй по данным изме(>ений ИСЗ "Интсркосмос-19" (г. Калуга, октябрь 1988 г.), на заседании VI-й рабочей группы международной программы SUNDIAL (США, McLean.. Май 1989), на Всесоюзном семинаре "Распространение радиоволн в ионосфере" (г. Калининград, 1989 г.). на Всесоюзных семинарах-совещаниях по проблеме "Неоднородная структура ионосферы" (г. Ашхабад. 1987 г.; г. Якутск, 1989 г.; пос. Абрау-Дюрсо, 1991 г.), на ХХШ-й и XXIV-й Генеральных Ассамблеях URSI (ЧССР, Прага, август-ссіггябрь 1990 г.; Япония. Киото, август-сентябрь 1993 г.), на XVI-й Всесоюзной и XVII-й конференциях по распространению радиоволн (г. Харьков, октябрь 1990 г.; г. Ульяновск, сентябрь 1993 г.), па II! симпозиуме URSI по модификации ионосферы мощными радиоволнами (г. Суздаль, сентябрь 1991 г.). на научно-техническом семинаре "Распространение и дифракция электромагнитных воли н нс"дш>[юдных средах" (Смоленск, июнь 1992 г.), на межлуна-
-8-.
родном симпозиуме по программе STEP (США, Laurel, ашуст 1992 г.), на международной конференции "Spatio-1 emporal Analysis foi Revolving Plasma 1 urbulence (START)" (Франция, Assouis, февраль 1993).
По теме диссертации опубликована 61 работа. Оснонное содержание исследований изложено и 31 статье (см. список и конце автореферата).
Личиьш ихлад автора. Вес основные тео|ктнческие результаты, представленные и диссертации, получены автором лично или под его непос(>едсгиеіі-иым научным руководством. В работах выполненных и соавторстве, автору принадлежат формулировка проблем, постановка задач, ключевые идеи, необходимые для осуществления математически вы.сладок. В диссертацию волілії только те результаты, при получении которых он принимал непосредственно* творческое участие ио всех этапах работы: и разработке методой решения задач D физической интерпретации результатов расчетои и уксперяментои, в разработке базовых алгоритмов для компьютерных программ.
Структури и обї»«і диссергду:;;;. /{пссергацн.-: сосїчїгт на введення, .
глав и заключеши. Ой,ч;;іі i^liw: ЗО?. :, :.:'._:. ;>-;.;= :'суні-;ои, 6 ~.а0,;:;
И список исноЛьзованіюГ; лшературы tu НІ') і:а;!.-..сі;<>і;.мт"-
