Введение к работе
!
""~~ "Актуальность темы. Ионосферная плазма характеризуется наличием развитой случайно-неоднородной структуры, которая в широком диапазоне масштабов описывается степенным пространственным спектром. Показатель степенного спектра для мелкомасштабных неоднород-ностей в срэднеширотной ионосфере составляет 2-^4. Наличие неодно-родностей вызывает флуктуации амплитуды, фазы и поляризации распространяющихся в ионосфере радиоволн. Флуктуации амплитуды и фазы радиоволн исследованы достаточно подробно и их измерение лежит в основе ряда методов дистанционной диагностики параметров спектра неоднородностей ионосферы.
Случайные неоднородности ионосферы не только вызывают флуктуации амплитуды радиоволн, но и приводят к изменению ее среднего значения. Бесстолкновительное затухание радиоволн декаметрового диапазона наблюдалось в экспериментах по зондированию искусственной ионосферной турбулентности, при трансионосферном прохождении сигналов от космических источников, при распространена на радиотрассах большой протяженности и при вертикальном зондировании ионосферы. В частности, частота соударений, определяемая по поглощению обыкновенных или необыкновенных волн, оказьшается в области F ионосферы значительно выше частоты соударений, определяемой из газокинетического расчета. Величина бесстолкновительного затухания может достигать десятков дБ, что делает необходимым его учет как при радиозондировании ионосферы, так и в практике радиосвязи в декаметровом диапазоне. Известны два, по-видимому, основных для среднеширотной ионосферы механизма бесстолкновительного затухания декаметрових радиоволн: аномальное поглощение обыкновенных волн вследствие статистической трансформации в медленные необыкновенные волны при рассеянии.на мелкомасштабных неоднородностях в об-
ласти плазменного резонанса и рассеяние на случайных неоднород-ностях без изменения типа волны.
Рассеяние на случайных неоднородаостях приводит также к флу-ктуациям поляризации, нарушающим поляризационное согласование сигнала и приемной антенны и, таким образом, приводящим к нарушениям радиосвязи и ошибкам при измерении амплитуды отраженных от ионосферы радиоволн.
Воздействие случайных неоднородностей на амплитуду и поляризацию декаметрових радиоволн определяется спектром случайных неоднородностей. Поэтому измерения бесстолкновительного затухания и статистических характеристик поляризации декаметрових радиоволн могут быть использованы для диагностики спектра неоднородностей.
Теоретическое рассмотрение этих процессов проводилось ранее, как правило, для модели гауссова спектра, не являющейся адекватной моделью спектра случайных неоднородностей ионосферы, что ограничивает применимость полученных результатов. Поэтому исследование затухания амплитуды и статистических характеристик поляризации декаметровых радиоволн при степенном спектре случайных неоднородностей является актуальной задачей. В декаметровом диапазоне существенна гиротропия ионосферной плазмы, что требует учета векторного характера электромагнитного поля радиоволн. Поскольку ослабление среднего поля при типичных параметрах неоднородностей может достигать десятков дБ, необходим учет многократного рассеяния.
Цели работы. 1.Применение теории статистической трансформации обыкновенных волн в медленные необыкновенные волны, базирующееся на концепции тензора эффективной диэлектрической проницаемости, к анизотропной случайно-неоднородной ионосферной плазме со степенным спектром случайных неоднородностей.
2.Анализ возможных подходов, учитывающих гиротропию ионосферной плазмы, регулярную рефракцию и многократное рассеяние волн при исследовании воздействия неоднородностеа со степенным спектром на энергетические характеристики декаметрового радиоизлучения.
З.Учет гиротрогши при исследовании воздействия случайных неодно-родностей ионосферной плазмы со степенным спектром на статистические характеристики поляризации радиоизлучения декаметрового диапазона.
4.Анализ возможности использования измерений энергетических характеристик и статистических характеристик поляризации радиоизлучения декаметрового диапазона для диагностики параметров спектра мвлкомасиггабных неоднородноствй неоднородностеа. Научная новизна.
-
Впервые теория статистическоа трансформации обыкновенных волн в медленные необыкновенные применена для анализа аномального бесстолкновительного поглощения декаметрових радиоволн обыкновенной поляризации в случайно-неоднородной ионосферной плазме со степенным спектром случайных неоднородноствй и рассчитаны компоненты антиэрмитовой части тензора эффективной диэлектрической проницаемости для изотропного и анизотропного степенных спектров неоднородноствй. Определены частотные зависимости аномального поглощения обыкновенных волн и установлена их связь с параметрами спектра случайных неоднородноствй.
-
Определена оптическая толща ионосферы на высотах слоя F для декаметрових волн при рассеянии на вытянутых неоднородностях со степенным спектром с учетом гиротропии ионосферной плазмы. Продемонстрирована возможность определения формы и показателя спектра мелкомасштабных случайных неоднородностеа по экспериментальным данным об аномальном поглощении.
-
В работе получено уравнение переноса излучения, описывающее
многократное рассеяние на случайных неоднородаостях в статистически неоднородной и нестационарной магнитоактивноа плазме. 4. Установлено воздействие на статистические характеристики поляризации трансформации обыкновенных волн в необыкновенные при рассеянии на случайных неоднородаостях и установлена связь статистических характеристик поляризации с параметрами степенного спектра искусственной ионосферной турбулентности. Положения, выносимые на защиту. 1.Учет степенной формы спектра мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферной плазмы приводит к появлению пространственной дисперсии в антиэрмитовой части тензора эффективной диэлектрической проницаемости, конкретный вид которых определен для следующих моделей спектра неоднородностей:
а) изотропный степенной спектр с показателем v =4;
б) изотропный степенной спектр с показателем = 2;
в) анизотропный степенной спектр, описывающий бесконечно - вы
тянутые неоднородности с показателем спектра 2+4.
2.Частотная зависимость аномального поглощения обыкновенных волн зависит от спектра случайных неоднородностей. При типичных спектрах и величине флуктуация электронной концентрации дополнительные потери в области F составляют единицы-десятки дБ, что дает возможность использовать их измерения для диагностики спектра неоднородностей.
3.Наблюдаемое в экспериментах по наклонному зондированию бес-столкновительное затухание декаметрових радиоволн может быть полностью объяснено рассеянием на вытянутых неоднородаостях с показателем степенного спектра 2+4. Определяемая по величине ослабления величина aN/N находится в согласии с известными данными о спектрах случайных неоднородностей области F. Для определения некогерентной составляющей поля необходимо учитьюать
рефракцию рассеянных волн, сферичность зондирующей волны и многократное рассеяние. 4.Короткопериодические флуктуации параметров поляризации сигналов вертикального зондирования связаны с кросс-модовым рассеянием нормальных волн на случайных неоднородностях ионосферной плазмы. Основной вклад в формирование статистических характеристик поляризации дают неоднородности с масштабами 300-2000 м. Научная и практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты могут быть применены к решению задач прогнозирования надежности и качества работы радиотехнических систем связи декаметрового диапазона, а также для разработки новых методов дистанционного зондирования мелкомасштабных неоднородностеа ионосферной плазмы в дополнение к уже имеющимся.
Достоверность полученных результатов обеспечивается строгой математической постановкой решаемых задач, адекватностью используемых моделей среды распространения реальной ионосфере, соответствием результатов расчетов экспериментальньш данным, а также совпадением полученных результатов в предельных случях с результатами, полученными отличными от используемых в диссертации методами другими авторами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на семинарах отдела космических исследований НИИ физики РГУ, семинаре теоретического отдела НИРФИ, Всесоюзном семинаре "Распространение радиоволн в ионосфере" (г.Калининград, 1989 г.), на Всесоюзном совещании по проблеме неоднородной структуры ионосферы (г. Якутск, 1989 г., пос.Абрау, 1991 г.), на Всесоюзной конференции молодых ученых "Электромагнитные процессы в Земле и космосе" (г. Звенигород, 1989 г.),на XVI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (г. Харьков, 1990 г.), на III симпозиуме УРСИ по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (г.Суздаль, 1991 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано в виде статей и тезисов докладов 12 работ.
Реализация результатов. Результаты, полученные в диссертации, использовались при выполнении темы 1ї/гр.0186.00065Є6 НИИ физики при РГУ.
Объем диссертации, диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и четырех приложений общим объемом 186 страниц машинописного текста. Она содержит 13 рисунков, 2 таблицы и список использованной литературы из 148 наименований.
