Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной К8 актуальных проблем физики атмосферы Земли является исследование волновых процессов, характеризующихся периодами от нескольких десятков секунд до двух-трех недель. В процессе генерации, распространения и затухания атмосферные волны извлекает, переносят и аапаезпт энергии и количество ДЕКлеккя в размерах, достаточных для того, чтобы играть весьма существенную роль в динамике и энергетике атмосферы в целом. Одной кг ключевых проблем фкзкки солнечно-аемких связей является исследование механизмов взаимодействия между различными слоямк атмосферы. Экспериментальные исследования широкого спектра атмосферных волв, выявление закономерностей их поведения, определение их природы к источников дзет важную.информации для понимания фундаментальных законов, управлявших поведением атмосферы. Эти исследования необходимы для решения Таких прикладных гадач, как создание моделей атмосферы к ионосферы с учетом волновых . процессов, определение местоположения естественных и искусственных источников атмосферных возмупгкий." Все зто свидетельствует об ачтуагь-ности данной работы, пссЕякекной разработке и использовании нового метода диагностики атмосферных волн в средней атмосфере.
Ноекк метод диагностики волновых, воэмуденкй основан на генерации к приеме искусственного низкочастотного радиоизлучения, возникающего при воздействии на нижнее ионосферу мощной модулированной радиоволной (эффект Гетмакцева). Диапазон исследуемых выест составляет 70 - 85 км, что соответствует области мегосферы. Ста область характеризуется высокой динамической активность!), сложней физикой к химией происходящих в ней прсцессоз. Экспериментальные трудности диагностики исяосферной области D связаны с наличием низкой электронной концентрации и высокой плотности атмосферы. Тем не менее, в настоящее время существует несколько экспериментальных мєтодое исследования волновых возмущений в ме-госфере, главным образом связанных с регистрацией периодических изменений скорости и температуры нейтрального газа. Методы, ис-пользувдие естественные маэосферные образования (серебристые облака, метеорные следы) se дапт регулярной информации иэ-за редкости событий. Поэтому больЕкнство методов диагностики волновых явлений в иезесфере основаны на пассивной или активной локации в
оптической и радЕО.'гчэппяонэ. В оптике используются наблюдения вариаций интенсивности -эмиссии возбужденных зтомов а молекул, а также лазерное зондирование (лидары). В радисдиалазоне применяется зондирование атмосферной турбулентности с пометав MST - рада-роз, метод частичных отражений, метод некогерентнего рассеяния.
Большое развитие в последнее время'получили методы Диагностики, основанные на актизном воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением. К их числу можно отнести метод, основанный на создании в нижней ионосфере искусственных периодических неоднеред-ностей. Предлагаемый новый метод диагностики атмосферных велн также использует нелинейные аффекты, возникающие при нагреве ионосферной плазмы. При воздействии на ионосферу месным модулированным радиоизлучением в такт . с частотой модуляции игм?кяетса проводимость и протекающий а дикамсобласти ток. Периодическое' изменение тока приводит к электромагнитному излучению на частоте модуляции. Поскольку на средних широтах ионосферный ток обусловлен увлечением электронов и ионов атмосферными ветрами, принимаемое на Земле иск/сственное ОНЧ излучение несет информации о структуре нейтрального ветра в D-области. С помощью.эффекта Гет-манцева могут быть измерены как параметры среднего ветра а мезос-фере, .так и его вариации, связанные с прохождением атмосферных волн через нагреввую область.
Новый метод наиболее приспособлен для диагностики внутренних
гравитационных волн (НТВ) с периодами от нескольких минут до нес
кольких часов и имеет ряд преимуществ по сравнении с .традиционны
ми методами исследования атмосферных волн на высотах 70 - 90 км.
Он позволяет получать информации о волновых процессах в мезосф^ре
независимо от времени суток, сезона, погоды и состояния ионосфе
ры. ~ Автоматическая фильтрация мелкомасштабных структур в объеме
среды, занимаемом источником ОНЧ излучения, повышает реальную
чувствительность измерений параметров ВГЕ. Таким образом, новый
метод диагностики атмосферных волн, является органичным дополне
нием известных ранее методов, а его использование мояіет сущест
венно повысить уровень знаний о волновых процессах а средней ат
мосфере. Это подтверждается новыми результатами исследования ВГВ,
полученный;,, с испол&зсяяявем эффекта Гетмаяцева и приведенные, в
диссертации. ' "'
Нед и задачи исследований заключались:
"- в разработке нового метода диагностики атмосферных волн, основанного на эффекте Гетмзнцева;
- в разработке методики и создании программно-аппаратурного
комплекса для геяерааж и приема искусственного низкочастотного
излучения;
в проведении экспериментальных исследований эффекта Гет-мзшева, составляющих необходимую основу для диагностики атмосферных волн в различное время суток;
в разработке методик измерения основных характеристик ат-мооферны? ВГЕ на основе анализа флуктуации параметров ОНЧ сигналов;
е исследованиях на Сазе эффекта Гетманцева распространения ЕГЗ в мезосфере, структуры спектра, поляризации и других особенностей внутренних гравитационных' волн, предотавхяхшк геофизический интерес.
Научная новизна работы.
1. На основании многочисленных исследований искусственного
ОНЧ калучеккя нижней ионосферы установлены следующие его свойс
тва: -~
а) в магнктоспокэйкых условиях параметры поляризации ОНЧ
сигналов определяется вектором скорости ветрз в мезоофер*;
б) высота источника излучения составляет 70 - 80 км в днев
ное время и уменьшается с ростом частоты модуляции кагревного пе
редатчика.
Эти свойства ОНЧ источника определяют ноЕые возможности диагностики атмосферных Еолн в меэосфере с помесцв эффекта Гетманцева.
-
Разработан новый, не известный ранее метол диагностика атмосферных волн с помотав Евгревкых стендов. Метод основан на возможности измерения вариаций вектора скорости ветра в мезосфе-ре, связанных с прохождением атмосферных волн, по анализу naps-метров поляризации искусственных ОНЧ сигналов. Метод наиболее эффективен для диагностики мегосферных ВГЕ.
-
Разработаны и апробированы новые методики измерения парз-метрсв ЕГВ в меэосфере, оснозаккые на исследовании искусственного ОНЧ излучения:
з) методика измерения частотного спектра ЗГ5;
б) методика измерения поляризации ВГВ;
в) методика измерешія горизонтальной и вертикальней длины
волны, горизонтальной и вертикальней фаговой скорости и направле
ния распространения ВГВ;
г) методика пространственно-временной фильтрации ВГЗ при ра
боте нагревного стенда в режиме интерферометра.
4. Получены новые результаты исследования ВГВ в меэосфере:
а) обнаружена резонансная структура частотного спектра ETS в
диапазоне периодов от 30 мин до 2 часов;
б) зарегистрировано увеличение' степени эллиптичности аоляри-
.эапии ВГВ с ростом периода водны; -
в) обнаружена угловая анизотропия волнового ансамбля ВГВ а-
мэгесфере.
Основные положения, выносимые на зашиту.
І. Разработка нового метода диагностики атмосферных волн на высотах 70 - 90 км по результатам исследовании параметров поляризации ОНЧ излучения, возникающего при воздействии на кжганс ионосферу 'мецзым модулированным радиоизлучением.
, 2. Разработка методики, создание и внедрение программка-аппаратурного комплекса для .исоледон-.^ш низкочастотного излучения ионосферы и включающего в себя средстза управления .нагревкыми передатчиками, а также средства приема и обработки з реальном времени параметров низкочастотного излучения.
-
Экспериментальные исследования эффекта Гетманцева, необходимые для обоснования и реализации нового метода диагностики атмосферных волн. Установление оптимальных режимов работы нагрев-ных стендов, позволяющий осуществить непрерывный круглосуточный прием искусственных ОНЧ сигналов. Установление взаимосвязи спектральных и поляризационных характеристик низкочастотного излучения с \параметрами нейтрального ветра з мевосфере. Исследование тонкой структуры источника искусственных ОНЧ сигналов.
-
Разработка методик определения параметров ВГВ в меэосфере (частоты, длины волны, фазовой скорости, направления распространения, спектральных и поляризационных характеристик) по анализу флуктуации параметров искусственных ОНЧ сигналов.
-
Исследование внутренних гравитационных воли в меэосфере с
ггомощьЕ нового метода, основанного на эффекте Гетмакцеза. Измерения горизонтальной к вертикальной фазовой скорости, горизонталь -ной и вертикальной длины волны, направления распространения ЕГВ с помоеье пространственного синтеза диаграмм направленности гретсих передатчиков. Исследование частотных спектров к особенностей поляризации ВГВ по харзкт?ру флуктуации амплитуды к угла наклона гллипса поляризации искусственных ОНЧ сигналов.
Научная и практическая ценность работы. В диссертации раз работая новый метод диагностики атмосферных волн нз высотах мезос-ферк, приводятся результаты апробации метода. Получены новые результата исследований ВГЕ, связанные о угловой анизотропией ансамбля ВГЕ в меэосфере, особенностями частотного спектра и поляризации НТВ. Эти результаты позволят сделать еде един шаг- в исследованиях физики процессов, связанных с распространением атмосферных воля из ккхяей атмосферы в верхнюю при наличии температурных градиентов к критических уровней; взазгмедейсгвием волк между собой к преобладагЕими ветрами. Новый метод открывает гпрокке возможности для дальнейших исследований з данной области. Использование практических результатов, полученных в диссертант, а также возможностей нозого метода диагностики атмосферных волн при проведении комплексных экспериментов в будущем повысит достсэер-ность сведений о волновых возмущениях в меэосфере и Судет способствовать накоплению информации, необходимей для коррекіпм су-цествуваих атмосферных и ионосферных моделей. Результаты, полученные в диссертации, могут иметь широкую область практического использования. Новый метод диагностики атмосферных волн может быть эффективно использован в метеорологии, зэрономкл, сейсмологии и физике нижней ионосферы. Полученные результаты могут найти применение в новых направлениях теоретических и экспериментальных исследований по волновым процессам в атмосфере и ионосфере Зеилн. Эти результаты кепельзевались в работах НИРЇК и ИНГ РАН, их можно рекомендовать для педельгевонпя в такое ведущих научных учреждениях как КЗМИР РАН, ЙС8 РАН, ИПГ, ДАО.
Апробация работы. Результаты работы докладывались в оОсукда-лясь:
- на 13-й Всесоюзной конференции со распространенгз редко-
волн (Горький, 1S81 г);
на Всесоюзном симпозиуме по воздействию мощным радиоизлучением на ионосферу Земли (Суздаль, 1S83 г);
на Всесоюзной конференции по приему сверхниэксчастстных колебаний и устройствам по их обработке (Воронеж, 1983 г);
на в-й Всесоюзной школе-семинаре по ОНЧ излучениям (Звенигород, 1983 г);
на Международном симпозиуме.по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 19S6 г);
на 15-й Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1987 г);
на Международном симпозиуме по неустойчизостям и волновым явлениям з системе ионосфера-терыосфера (Калуга, 1389 г);
на 8-м Совещании-семинаре по проблеме "Неоднородная структура ионосферы" (Н.Новгород, 1991 г у,
на семинарах НИР5Й (Н.Новгород), Института Астрофизик;! АН 'Тадд.ССР (ДуганЗе); Института физики Земли (Москва), НГТУ (Н.Новгород), ИПГ (Москва).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы а 29 работах, включая монографию. .
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации составляет 82 страницы, включая 62 рисунка (Є2 страницы), 10 таблиц (9 страниц), список литературы из 220 наименований (25 страниц).
