Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Экспериментальная аппаратура и методики исследования слоя es и нейтрального ветра в нижней термосфере 24
1.1. Ионосферный измерительный комплекс "Циклон" 24
1.1.1. Общая характеристика комплекса 27
1.1.2. Описание программного обеспечения комплекса 30
1.1.3. Компьютерная обработка ионограмм 33
1.2. Методики исследования слоя Es и характеристики циклов наблюдений 49
1.2.1. Методика обработки результатов измерений при вертикальном и наклонном зондированиях на меняющейся частоте 49
1.2.2. Экспериментальная аппаратура и методика исследования слоя Es на радиолиниях 53
1.3. Комплексные наблюдения параметров слоя Es и нейтрального ветра в нижней термосфере 60
1.3.1. Особенности радиометеорного метода наблюдений ветра в нижней термосфере и экспериментальная аппаратура 60
1.3.2.0бщая характеристика параметров нейтрального ветра, регистрируемых радиометеорным методом 63
1.3.3.Мето дика исследования параметров слоя Es во взаимосвязи с характеристиками нейтрального ветра 64
ГЛАВА 2. Неоднородная структура слоя es при вертикальном зондировании ионосферы 68
2.1. Структура слоя Es и ее влияние на радиосигнал 69
2.1.1. Амплитудно-частотные характеристики слоя Es 70
2.1.2. Интерференционные замирания радиоволн при отражении от слоя Es 73
2.2. Полупрозрачность слоя Es как показатель его неоднородной структуры 76
2.2.1. Модельные описания коэффициента отражения от слоя Es 77
2.2.2. Влияние турбулентных неоднородностей на полупрозрачность ел оя Es 81
2.2.3. Экспериментальные измерения коэффициента отражения при вертикальном зондировании 89
2.3. Фокусировка радиоволн на крупномасштабных неоднородностях слояЕэ 95
ГЛАВА 3. Динамика слоя es в зависимости от состояния мезотермосферы 104
3.1. Анализ особенностей слоя Es в зависимости от динамики нейтрального ветра 105
3.1.1. Общие положения теории ветрового сдвига 108
3.1.2. Проверка положений теории ветрового сдвига 112
3.2. Суточно - сезонные вариации параметров слоя Es 121
3.3. Влияние вариаций параметров ветра в верхней мезосфере - нижней термосфере на вариации высотно-частотных параметров слоя Es 137
3.3.1. Влияние преобладающего ветра на слой Es 137
3.3.2. Влияние полусуточного прилива на слой Es 141
3.3.3. Воздействие нерегулярной составляющей скорости ветра на слойЕэ 151
ГЛАВА 4. Динамика слоя es под влиянием солнечных и геомагнитных факторов 162
4.1. Влияние гелио- геомагнитных факторов на динамику нейтрального ветра 162
4.1.1. Анализ эффектов солнечной активности и длиннопериодных трендов в динамике нейтрального ветра 162
4.1.2. Влияние геомагнитной активности на параметры нейтрального ветра в нижней термосфере 170
4.2. Влияние солнечной активности на параметры слоя Es 184
4.2.1. Долговременные тренды в параметрах слоя Es 185
4.2.2. Эффекты солнечной активности в частотных параметрах СЛОЯЕБ 188
4.3. Влияние геомагнитной активности на параметры слоя Es 203
Выводы к главе 4 213
ГЛАВА 5. Влияние эффектов нижней атмосферы на параметры слояеэ 217
5.1. Анализ метеорологических процессов в нижней и средней атмосферах и их влияния на слой Es 218
5.2. Планетарные волны в вариациях параметров слоя Es 229
5.2.1. Морфологические закономерности 230
5.2.2. Пространственные параметры .243
5.2.3.Эффекты взаимодействия волновых вариаций нейтрального ветра и параметров слоя Es 249
5.3. Влияние динамики нижней атмосферы на слой Es 260
5.3.1.Влияние неустойчивости тропосферной циркуляции на слой Es 260
5.3.2. Влияние весенне-осенних перестроек циркуляции нижней термосферы и стратосферы на сезонную изменчивость слоя Es 268
5.3.3. Взаимосвязь сроков весенней перестройки стратосферной циркуляции и интенсивности слоя Es 273
ГЛАВА 6. Влияние слоя es на распространение декаметровых радиоволн 283
6.1. Исследования слоя Es при наклонном зондировании 284
6.1.1. Анализ закономерностей характеристик слоя Es на радиолиниях 284
6.1.2. Влияние слоя Es на характер радиосвязи при зондировании на скользящей частоте на коротких трассах 292
6.2. Коэффициент отражения от слоя Es при наклонном зондировании 301
6.2.1. Статистические закономерности коэффициента отражения...302
6.2.2. Частотные зависимости коэффициента отражения 309
6.3. МПЧ для слоя Es 318
6.3.1 Коэффициент MEs на радиолиниях 321
6 6.3.2. Коэффициент MEs при зондировании на скользящей частоте 326
6.4. Сравнительный анализ с различными моделями 335
Выводы к главе 6 340
ГЛАВА 7. Статистическое моделирование радиоканала, обусловленного слоем 344
7.1. Анализ вероятностных моделей параметров слоя Es и характеристик радиоканала с учетом энергетики 344
7.2. Статистическое моделирование радиоканала 355
7.2.1. Описание алгоритма моделирования 357
7.2.2. Определение вероятности радиосвязи при отражении от слоя Es 362
7.2.3. Выбор рабочих частот радиосвязи на трассе с учетом отражения от слоя Es 367
7.3.Краткосрочное прогнозирование параметров слоя Es 371
7.3.1. Преобразование распределения foEs 371
7.3.2. Оптимальное линейное прогнозирование foEs 374
7.3.3. Прогнозирование вероятности появления параметров слояЕэ 377
Выводы к главе 7 379
Заключение 381
Литература 385
- Методики исследования слоя Es и характеристики циклов наблюдений
- Особенности радиометеорного метода наблюдений ветра в нижней термосфере и экспериментальная аппаратура
- Экспериментальные измерения коэффициента отражения при вертикальном зондировании
- Влияние вариаций параметров ветра в верхней мезосфере - нижней термосфере на вариации высотно-частотных параметров слоя Es
Введение к работе
Актуальность темы/ Слой Es является случайным, локальным плазменным образованием в ионосфере со значениями электронной концентрации, которая играет значительную роль при распространении не только декаметровых, но и метровых радиоволн. Слой может способствовать появлению дополнительного канала радиопередачи и приводить к появлению многолучевых помех в радиоканале, или приводить к полному прекращению радиосвязи из-за экранирования на трассах большой протяженности при передаче сигналов через слой F2. Необходимо учитывать влияние слоя Es на распространение радиоволн на трассах в зависимости от их протяженности, технического оснащения и времени работы.
Для долгосрочного прогноза радиоволн построены вероятностные эмпирические модели слоя Es на основе вертикального зондирования (Е.К. Смит, О.В. Чернышев, Т.С. Керблай, О.Г. Овезгельдыев и Г.В. Михайлова, Р.Г. Минуллин). Они удовлетворительно, с определенными ограничениями для каждой модели, описывают пространственно-временные изменения частотных параметров слоя Es. Однако для их применения требуется разработка методов пересчета частотных параметров слоя Es, регистрируемых при вертикальном зондировании, в амплитуды Es-сигналов и максимально-применимые частоты на радиолиниях. Такие методы также имеются (К. Мия и Т. Сасаки, Т.С. Керблай, П.М. Трифонов, Р.Г. Минуллин и др.), однако, они созданы либо на основе модельных описаний изменений коэффициента отражения от слоя Es от частоты, либо на основе экспериментальных измерений в метровом диапазоне волн и не удовлетворяют современным требованиям практики. Методы оперативного прогноза практически отсутствуют, за исключением работ Моисеева С.Н., однако им также применены модельные описания коэффициента отражения от слоя Es для расчета условий распространения в метровом диапазоне волн. Поэтому необходимо продолжение экспериментальных исследований влияния слоя Es на распространение радиоволн с более детальным описанием закономерностей его отражающей способности. Необходимо выявление и описание структурных особенностей слоя Es, которые определяют вариации коэффициента отражения от слоя Es.
Трудности прогнозирования параметров слоя Es объясняются рядом причин, среди которых основными можно назвать: случайность появления слоя Es, отсутствие продолжительных непосредственных измерений характеристик слоя с помощью ракетной техники, многообразие физических явлений, оказывающих воздействие на образование и существование слоя Es.
Область атмосферы на высотах появления слоя Es (верхняя мезосфера и нижняя термосфера) является местом активных преобразований энергии, транспортируемой широким спектром волн из нижней атмосферы. Вследствие этого в атмосфере происходят значительные изменения, которые отражают механизмы происходящих явлений. Так как в данной области скорости аэрономических процессов достаточно малы, то динамическое воздействие нейтрального ветра на ионизированную компоненту будет сравнимо с радиационными факторами.
Исследования слоя Es выявили значительные нерегулярные суточно-сезонные вариации параметров Es-слоев, что предположительно определяется динамическим режимом мезосферы и нижней термосферы. Можно сказать, что в области Е имеет место метеорологический контроль Es-слоя. В этом случае, поведение указанного слоя необходимо связывать не только с воздействием геофизических явлений (солнечная и магнитная активность, зенитный угол Солнца и т.д.), используемых для описания регулярных ионосферных слоев, но и в значительной мере с воздействием метеорологических явлений, таких как термодинамический режим нижней и средней атмосферы Земли и т.д.
Наиболее признанной теорией на сегодняшний день, объясняющей возникновение Es-слоев на средних широтах, является теория ветрового сдвига. Основой этой теории является перераспределение уже существующей ионизированной компоненты атмосферы определенной структурой ветра. Однако из-за сложной структуры мезотермосферного ветра и многообразия факторов, влияющих на поведение слоя Es, данная теория не описывает все многообразие поведения слоя Es.
В связи с этим, требуется проведение комплексных экспериментальных исследований слоя Es и нейтральной составляющей средней атмосферы на высотах 80-130 км, теоретических обобщений результатов их взаимосвязи для построения адекватной физической модели слоя Es.
Решение данной проблемы позволит перейти к оперативному прогнозу параметров слоя Es с учетом солнечной и геомагнитной активности, а также динамического режима нейтральной атмосферы.
Цель работы - исследовать динамику слоя Es и его роль при распространении декаметровых радиоволн.
Для этого необходимо решение следующих задач:
1) выявить и описать устойчивые закономерности вариаций параметров слоя Es, характеризующих его структуру и отражающие свойства;
2) исследовать взаимосвязь суточно-сезонных закономерностей в параметрах слоя Es с динамикой ветра в верхней мезосфере - нижней термосфере;
3) исследовать динамику слоя Es в зависимости от солнечной и геомагнитной активности с учетом режима мезотермосферного ветра;
4) выявить эффекты тропосферной и стратосферной циркуляции, влияющие на динамику слоя Es;
5) изучить пространственно-временные изменения энергетических характеристик слоя Es и на этой основе построить алгоритмы статистического моделирования радиоканала при наличии слоя Es для долгосрочного и оперативного прогноза условий распространения декаметровых радиоволн.
Методы проведения исследований. Для решения поставленных задач использовались методы статистической радиофизики и методы статистического моделирования. Экспериментальные исследования проведены с применением методов вертикального и наклонного зондирования ионосферы, а также с помощью метода радиометеорного зондирования.
Научная новизна результатов работы определяется тем, что в ней: 1) впервые найдено описание спектра неоднородностей слоя Es с учетом статистического спектра турбулентных движений в мезотермосфере, что определяет вариации коэффициента отражения в диапазоне полупрозрачности слоя Es;
2) определены факторы влияющие на образование, существование и исчезновение слоя Es, обусловленные составляющими нейтрального ветра с учетом их высотной структуры; впервые экспериментально обнаружено, что одним из этих факторов, является интенсивность мезомасштабной турбулентности;
3) выявлена зависимость реакции слоя Es на возрастание солнечной активности от уровня интенсивности слоя и времени суток; впервые для среднеширотного слоя Es в северном полушарии обнаружены долговременные тренды его частотных параметров;
4) обнаружено воздействие метеорологических факторов на интенсивность и вероятность появления слоя Es; установлены пространственно-временные вариации частотных параметров слоя Es, согласующиеся с присутствием планетарных волн в атмосфере, в зависимости от сезона, долготы места наблюдения и солнечной активности; впервые найдена зависимость межгодовых вариаций интенсивности летнего Es-слоя, связанная с изменениями дат начала весенней перестройки в стратосфере;
5) установлено, что коэффициент отражения от слоя Es и поправочный коэффициент к закону секанса обусловлены не только ионизацией слоя Es, но и зависят от высоты, типа слоя, а также от фоновой ионизации в виде регулярного слоя Е;
6) предложена методика оценки роли слоя Es при распространении радиоволн (увеличение или уменьшение вероятности радиосвязи, а также появление многолучевости) с учетом оптимального значения порогового уровня сигнала.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
1) определены факторы необходимые при построении физической модели слоя Es в виде характеристик нейтрального ветра с учетом солнечной и геомагнитной активности, выявлены суточно-сезонные и планетарно-волновые закономерности параметров слоя Es, связанные с динамикой нейтрального ветра;
2) разработаны алгоритмы статистического моделирования условий распространения радиоволн при наличии слоя Es для долгосрочного и оперативного прогнозирования параметров каналов связи декаметрового диапазона; 3) разработан, изготовлен и внедрен в промышленность цифровой ионосферный комплекс, предназначенные для вертикального и наклонного зондирования ионосферы и слоя Es; создан пакет программ по автоматической и интерактивной обработке ионограмм. На защиту выносятся:
1) модельное представление спектра неоднородностей слоя Es с учетом статистического спектра турбулентных движений в мезотермосфере, что определяет вариации коэффициента отражения в диапазоне полупрозрачности слоя Es;
2) закономерности суточно-сезонных и межсуточных вариаций параметров слоя Es, обусловленные влиянием нейтральной составляющей ветра, включая высотную структуру преобладающего ветра, сложную модовую структуру приливного ветра и интенсивность мезомасштабной турбулентности;
3) закономерности влияния солнечной и геомагнитной активности на динамику ветра в верхней мезосфере - нижней термосфере и как следствие, на параметры слоя Es; закономерности долговременных трендов в частотных параметрах слоя Es и их зависимость от долготы станции наблюдения;
4) закономерности вариаций параметров слоя Es в зависимости от тропосферной и стратосферной циркуляции; пространственно-временные вариации частотных параметров слоя Es, согласующиеся с присутствием планетарных волн в атмосфере, и их сезонные, долготные различия, описание взаимных спектров долговременных вариаций нейтрального ветра в мезотермосфере и частотных параметров слоя Es;
5) статистические закономерности вариаций коэффициента отражения слоя Es и поправочного коэффициента к закону секанса, полученные экспериментальным путем методами вертикального и наклонного зондирования;
6) алгоритмы статистического моделирования декаметрового радиоканала при наличии слоя Es для определения распределений уровня Es-сигналов и максимально-применимых частот слоя Es на радиолиниях с учетом их технической оснащенности.
Реализация результатов работы.
1. Аппаратные разработки и программные пакеты были использованы при изготовлении ионосферного комплекса "Вертикаль-С" Воронежским ЦКБ "Полюс". Комплекс прошел государственные испытания, подготовлен к тиражированию. Система обработки ионограмм была создана для ионозондов "Циклон", "Бизон", "Вертикаль-С" и передана в НИИССУ.
2. Результаты использовались при выполнении следующих проектов:
- программа "Университеты России", тема "Динамика спорадического слоя Е и распространение радиоволн", шифр ВГМ-3, 1992-1993 гг. (руководитель); программа "Распространение радиоволн в околоземном космическом пространстве", головной исполнитель - КГУ (1991-1996гг.), раздел "Создание научных основ расчета и прогнозирования условий метеорного и Es распространения радиоволн в интересах создания высоконадежных адаптивных систем радиосвязи и высокоточных дистанционных частотно-временных измерений", (исполнитель);
- РФФИ 94-05-16090 (1994-1996), Воздействие динамики термосферного ветра на нижнюю ионосферу, (руководитель);
- РФФИ 01-05-65251 (2001-2003), Волновые процессы и турбулентность в термосфере, (руководитель);
- РФФИ 03-07-90288, (2003-2005). Информационная система геофизической информации Казанского университета, (руководитель);
- РФФИ 03-05-96187. (2003-2005). Исследование термодинамического состояния нижней, средней и верхней атмосферы Земли на основе мониторинга фундаментальных параметров нейтральной и заряженной компонент (руководитель);
- Грант НИОКР РТ №09-9.4-217. 2003г. (руководитель).
3. Результаты использовались при выполнении госбюджетных тем кафедр радиоастрономии и радиофизики Казанского государственного университета; тема "Разработка перспективных дистанционных методов и средств диагностики состояния ионосферы" N гос. per. 01910050058, 1991-1995гг. (исполнитель); "Исследование физических характеристик верхней атмосферы и солнечно-земных связей радиофизическими методами" N гос. per. 01970008271, 1996-2000гг. (исполнитель); "Радиофизические основы информационных систем" N гос. per. 01200203344, 2001-2005гг. (руководитель).
4. Результаты использовались при выполнении хоздоговорных работ: ОКР "Разработка аппаратуры ионосферной станции вертикального и наклонного зондирования "Вертикаль С1" [Циклон-9]", шифр "Вертикаль С1-КГУ", заказчик - ВЦКБ "Полюс", 1991-94 гг.; НИР "Исследование и разработка программно-аппаратных средств для автоматической обработки информации", шифр "Тракай-2МС-КГУ", заказчик НИИССУ, 1991-94 гг.
5. Полученные результаты были включены в отчеты по итогам выполнения различных международных исследовательских программ STEP (1990г.), GLOBMET (1987-88гг.), а также были использованы в учебном процессе кафедр радиоастрономии и радиофизики по дисциплинам "Радиофизические методы исследования атмосферы и ионосферы", "Распространение радиоволн в случайно-неоднородных средах".
Достоверность результатов и научных положений обусловлена большим объемом проведенных исследований, за период с 1983г. по 1994г., статистической надежностью измерений, совпадением результатов измерений и обработанных данных с имеющимися модельными представлениями и выводами других авторов. Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на Международных, Всероссийских научных симпозиумах, конференциях и семинарах по исследованию слоя Es, аэрономии и динамики мезосферы и нижней термосферы, неоднородной структуры ионосферы и распространению радиоволн. Результаты были доложены и обсуждались на XV, XVI, XVII, XVIII, XIX, XX Всесоюзных (Всероссийских) конференциях по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1987; Харьков, 1990; Ульяновск, 1993; С.-Петербург, 1996; Казань, 1999; Н.-Новгород, 2002); на Десятом Всесоюзном семинаре по моделированию ионосферы (Казань, 1990); на ХП Всероссийской школе-конференции по дифракции и распространению волн (Москва, 2001); на Всероссийской научной конференции «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы» (Москва, 2002); на V Российской конференции по атмосферному электричеству (Владимир, 2003); на IX Всероссийской конференции «Физические проблемы экологии (экологическая физика)» (Москва, 2004); а также были представлены на XXIV, XXV Генеральных Ассамблеях URSI (Киото, Япония, 1993; Лилль, Франция, 1996); на XXI, XXII, XXIV Генеральных Ассамблеях IUGG (Боулдер, США, 1995, Бирмингем, Англия 1999, Саппоро, Япония, 2003); на XXXI, XXXII, XXXIII, XXXIV, XXXV Научных Ассамблеях COSPAR (Бирмингем, Англия, 1996, Нагойя, Япония, 1998, Варшава, Польша, 2000, Хьюстон, США, 2002, Париж, Франция, 2004); на XX, XXII, XXIII, XXV, XXVI Генеральных Ассамблеях EGS. (Гамбург, Германия, 1995; Вена, Австрия, 1997, Ницца, Франция, 1998, 2000, 2001), а также докладывались на научных семинарах и конференциях Казанского государственного университета (1990-2004 гг.).
Публикации.
Основные положения диссертации представлены в ПО печатных работах, из них опубликованы в статьях журналов: "Геомагнетизм и аэрономия", "Радиофизика", "Электросвязь", "Geomagnetism and Aeronomy International", "Advances in Space Research", "J. Atmosph. Solarerr. Phys", "Chem. Earth", "Acta Geod. Geoph. Mont. Hung", "Environmental Radioecology and Applied Ecology", "Georesources"; в статьях сборников "Ионосферные исследования" (МГК), "Прием и обработка сигналов в сложных информационных системах" (КГУ), "Метеорное распространение радиоволн" (КГУ), Report UAG и др.
Личный вклад автора. Автор внес основной вклад: в постановку задач исследования, разработку алгоритмов программ управления комплексами и обработки ионограмм, организацию экспериментальных измерений и разработку методик измерений с 1983г., анализ и интерпретацию полученных данных, разработку методов и алгоритмов расчета и прогноза, подготовку публикаций. Автор был ответственным исполнителем работ по разработке измерительного комплекса "Циклон", участвовал в организации измерений параметров слоя Es с 1983 по 1993 г., осуществлял анализ и интерпретацию результатов измерений коэффициента отражения от слоя Es по данным радиолиний, исследования на которых были организованы и проведены Минуллиным Р.Г. С 1996 г. автор осуществлял научное руководство по всем направлениям исследований слоя Es в КГУ. Экспериментальные исследования взаимодействия нейтрального ветра и слоя Es проведены в кооперации с группой Фахрутдиновой А.Н.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Она содержит 441 страниц основного текста, 81 иллюстрацию, 40 таблиц и список цитируемой литературы из 657 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, дана краткая характеристика выбранного научного направления, сформирована цель и задачи исследований, приведена краткая характеристика и содержание работы.
В первой главе диссертации описываются экспериментальные установки по исследованию слоя Es методами вертикального и наклонного зондирований, методики измерения и совместного анализа параметров слоя Es и нейтрального ветра, зарегистрированного радиометеорным методом.
Рассматриваются технические характеристики, устройство и принцип действия ионосферного комплекса "Циклон". Работа комплекса может проводиться в режимах вертикального и наклонного зондирований для исследования характеристик Es-сигналов при регистрации амплитуды и формы импульсного сигнала на скользящей частоте, а также для регистрации уровня сигнала на фиксированной частоте зондирования. В исследовательском режиме комплекс позволяет довести периодичность снятия ионограмм до 15 сек с погрешностью отсчета высоты отражения сигнала, равной 2,5 км, а уровень сигнала регистрировать в динамическом диапазоне 60 дБ.
Описана структура и алгоритмы программного обеспечения комплекса, которое позволяет осуществлять управление комплексом, регистрацию и запись ионограмм, обработку ионограмм в автоматическом и интерактивном режимах.
Представлены описания экспериментальных циклов измерений комплексом "Циклон" методами вертикального и наклонного зондирований на меняющейся частоте. Дана методика определения изменений коэффициента отражения от слоя Es при изменении частоты зондирования на основе амплитудно-частотных характеристик вертикального зондирования.
Представлены краткие характеристики экспериментальной аппаратуры и технические параметры радиолиний, которые использовались для исследования Es-сигналов в данной работе. Зондирование на этих радиолиниях проводилось в интервале частот от 5 до 45 МГц, что в пересчете на эквивалентные частоты вертикального зондирования соответствует диапазону 2,4-20,0 МГц. В центрах трасс контроль состояния ионосферы осуществлялся с помощью ионосферных станций вертикального зондирования. Оценена энергетика радиолиний. Описана методика выделения Es-сигналов в радиоканале среди сигналов, обусловленных другими способами распространения радиоволн, такими как сигналы, обусловленные отражением от регулярных слоев ионосферы, возвратно-наклонного распространения, F-рассеяния и ионосферного рассеяния совместно с отражением от метеорных следов.
Описаны условия комплексных наблюдений параметров слоя Es методом вертикального зондирования (ВЗ) и характеристик нейтрального ветра в мезотермосфере метеорным радаром с высотомером. Даны технические и точностные характеритики метеорного радара, а также представлены параметры нейтрального ветра, регистрируемые радиометеорным методом. Изложена) методика исследований параметров слоя Es во взаимосвязи с характеристиками нейтрального ветра. Показано, что можно сопоставлять местонахождение слоя Es по высоте с определенной точкой на профиле ветра с точностью, равной 3-И5 км.
Во второй главе диссертации приведены результаты исследований неоднородной структуры слоя Es при ВЗ ионосферы. Проводится анализ неоднородной структуры слоя Es и ее влияние на радиосигнал при ВЗ. Показано, что слой Es обладает ярко выраженной неоднородной структурой, с масштабами неоднородностей от тысяч километров до десятков метров.
Изучение отражающей способности слоя Es осуществляется на основе сравнения амплитуд сигналов, обусловленных слоями Е и Es. Экспериментально устанавливается, что появление слоя Es в ионосфере сопровождается при регистрации амплитудно-частотной характеристики повышением уровня сигнала на 15-20 дБ на частотах выше foE, которое зависит от высоты расположения слоя. Кроме того, на амплитудно-частотных характеристиках наблюдаются интерференционные замирания, обусловленные наличием больших градиентов электронной концентрации на нижней границе Es-слоя.
Диапазон полупрозрачности определяется изменением коэффициента отражения слоя Es с частотой зондирования и обусловлен пространственной структурой слоя Es. Проводится анализ моделей слоя Es, которые могут объяснить значительные диапазоны полупрозрачности, и представляется сравнение модельных описаний с экспериментально наблюдаемыми вариациями коэффициента отражения с частотой. Предлагается модель неоднородного слоя Es, основанная на статистическом описании экспериментальной структуры спектра турбулентных движений ветра для высот образования слоя, которая способна описать вариации коэффициента отражения от слоя Es в диапазоне его полупрозрачности. Обсуждается физическая природа частотных параметров слоя Es.
Исследуются процессы фокусировки и дефокусировки радиоволн при вертикальном зондировании для однократного и двухкратного отражений на основе модели слоя Es с квазипериодической пространственной структурой. Проводится анализ параметров данной модели на основе учащенных измерений при вертикальном зондировании, значения которых используются для объяснения распределений коэффициента отражения на частотах, которые меньше частоты экранирования fbEs.
В третьей главе диссертации представлены результаты исследований динамики слоя Es в зависимости от состояния мезотермосферы. Проведен аналитический анализ теорий, которые могут объяснить образование спорадического слоя Е. Устанавливается, что наибольшее распространение получила теория ветрового сдвига, которая основана на перераспределении уже существующих ионов и электронов под действием ветрового сдвига и лучше, чем другие теории, согласуется с результатами экспериментов. Представляются некоторые положения теории, которые понадобятся при дальнейшем анализе. Показано, что теория ветрового сдвига не позволяет полностью объяснить суточные, внутригодовые и межгодовые вариации вероятности появления интенсивных Es-слоев. Однако, с нашей точки зрения, это может быть связано с неполной изученностью системы ветров на высотах верхней мезосферы — нижней термосферы. Поэтому в дальнейшем исследуется влияние временных изменений и высотной структуры нейтрального ветра в верхней мезосфере - нижней термосфере на суточно-сезонные вариации параметров слоя Es.
Устанавливается, что сезонные закономерности интенсивности слоя Es объясняются сезонными изменениями в динамике ветра. Суточные закономерности параметров слоя Es определяются сложной структурой полусуточного прилива, при этом для объяснения суточных вариаций действующей высоты слоя Es используются описания моды (2,2) полусуточного прилива, а для вариаций предельной частоты слоя Es описания моды (2,6).
Анализируется влияние каждой из составляющих ветра в нижней термосфере: преобладающий ветер, приливные волны, внутренние гравитационные волны и турбулентность, на перераспределение уже существующей метеорной ионизации. Устанавливается, что вероятность появления интенсивных Es-слоев увеличивается во время действия преобладающего ветра, усредненного в высотном интервале 80-110 км, направленном на юго-восток. При этом наиболее вероятная скорость этого ветра находится в интервале 20-30 м/с и превышает амплитуду полусуточного прилива. При учете высотного распределения преобладающего ветра представляется, что благоприятным условием для формирования интенсивных Es слоев является ветер, направленный на северо-восток в высотном интервале 100-110 км.
Анализируются суточные закономерности тонкой структуры вертикальных перемещений высоты образования слоя Es под влиянием движений конвергирующих узлов полусуточного прилива в нейтральном ветре. Выявляются наиболее вероятные интервалы времени воздействия узлов моды (2,2) и более мелкомасштабных мод.
Устанавливается существенное влияние мезомасштабной турбулентности нейтрального ветра на интенсивность и неоднородную структуру слоя Es. По часовым измерениям для всех сезонов наблюдаются более интенсивные Es-слои в случае менее развитой мезомасштабной турбулентности и отсутствие Es-слоев или слабые по интенсивности Es - образования при повышенных значениях турбулентности в нижней термосфере.
В четвертой главе диссертации представлены результаты исследований динамики слоя Es под влиянием солнечных и геомагнитных факторов. Для этого проведен аналитический анализ долговременных вариаций параметров нейтрального ветра и их зависимость от солнечной и геомагнитной активности. Представляется, что динамика нейтрального ветра в верхней мезосфере - нижней термосфере существенным образом менялась на протяжении примерно 3-х циклов вариаций солнечной активности.
Устанавливается, что влияние геомагнитной активности на динамику ветра в нижней термосфере наиболее заметно для крупномасштабных составляющих ветра (преобладающий ветер, приливы), и убывает с уменьшением пространственного и временного масштаба рассматриваемых процессов. Обнаруживается торможение преобладающего зонального ветра и появление составляющей меридионального ветра, направленной на север, при повышении уровня геомагнитной активности. Также наблюдается значительное увеличение уровня мезомасштабной турбулентности в интервале высот 104-110 км при повышении геомагнитной активности.
Анализируются долговременные вариации частотных параметров слоя Es для 22 среднеширотных станций северного полушария. Обнаруживается, что в параметре fbEs в основном положительный тренд, в диапазоне полупрозрачности AfbEs преобладает отрицательный тренд, а в параметре foEs наблюдаются как положительные, так и отрицательные тренды, которые связываются с соотношением величин вариаций foEs и AfbEs. Обсуждаются причины, которые могут приводить к таким долговременным трендам в параметрах слоя Es.
Устанавливается влияние солнечной активности на параметры слоя Es: предельную частоту foEs и вероятность появления Es-слоя PEs для фиксированных уровней foEs, в зависимости от сезона и времени суток. Обнаруживается изменение реакции величины PEs на вариации солнечной активности в зависимости от интенсивности слоя Es. Обсуждаются наблюдаемые закономерности вариаций параметров слоя Es на основе изменения динамических процессов нейтрального ветра в зависимости от солнечной активности.
Исследуется влияние геомагнитных возмущений на интенсивность слоя Es в зависимости от интенсивности слоя в сутки, предшествующие возрастанию геомагнитной активности, сезона, времени суток и уровня солнечной активности. Наблюдаемые эффекты в слое Es связываются с изменениями динамики нейтральной атмосферы под воздействием геомагнитных возмущений.
В пятой главе диссертации представлены результаты исследований влияния процессов в нижней атмосфере на параметры слоя Es. Проведен аналитический анализ влияния метеорологической обстановки в тропосфере и стратосфере на параметры слоя Es. Выявлены синоптические объекты в тропосфере и стратосфере, которые могут приводить к вариациям интенсивности слоя Es. В качестве механизма влияния процессов в нижней атмосфере на слой Es определены планетарные и внутренние гравитационные волны. Показывается, что в межсуточных вариациях параметров слоя Es наблюдаются вариации сходные с периодами планетарных волн в нейтральном ветре мезотермосферы.
Разрабатывается методика вейвлет-анализа для исследования волновых возмущений в параметрах слоя Es. Устанавливается, что в волновых возмущениях, обнаруживаемых в вариациях параметров слоя Es, наблюдаются характерные периоды планетарных волн, морфологические закономерности которых исследуются в зависимости от сезона и солнечной активности. Для среднеширотной области Северного полушария выделяются планетарные волны с волновыми числами 1, 2 и исследуются их характеристики.
Представляется сравнение волновых возмущений в частотных параметрах слоя Es и интенсивности мезомасштабной турбулентности нейтрального ветра. Показывается, что выделенные периодичности в вариациях исследуемых параметров являются когерентными, в то время как фазовые соотношения меняются в зависимости от периода и сезона.
Определено, что нарушение зонального западного переноса в средней тропосфере на изобарической поверхности 500 гПа сопровождается повышением в межсуточных вариациях вероятности появления интенсивных слоев Es. Причиной таких региональных нарушений общей циркуляционной системы тропосферы летом являются блокирующие образования, появления интенсивных слоев Es над различными областями которых неодинаково, что объясняется различными возможностями генерации внутренних гравитационных волн.
В шестой главе диссертации представлены результаты исследования влияния слоя Es на распространение декаметровых радиоволн. Проводится анализ закономерностей характеристик слоя Es на радиолиниях при работе на фиксированных рабочих частотах. Рассматриваются вероятностные и энергетические характеристики сигналов, обусловленных слоем Es. Показано, что вероятность и длительность отражений от слоя Es существенным образом зависят от энергетики радиолинии. Устанавливается влияние слоя Es на характер радиосвязи при зондировании на скользящей частоте и на нескольких фиксированных частотах на трассе Москва-Казань протяженностью 700 км. Проводится изучение модового состава и распределения амплитуд сигналов, на основании которого определяется несколько диапазонов частот с разной ролью слоя Es в распространении радиоволн при его появлении в центре трассы. Показывается значительное расширение диапазона применимых частот при пороговом уровне радиолинии, равном -45дБ.
Исследуются распределения коэффициента отражения от Es-слоя pEs, что позволяет исключить влияние технических параметров аппаратуры на радиолинии, а также влияние поглощения в нижележащей ионосфере при изучении отражающей способности слоя Es. Устанавливается зависимость распределения pEs от длины и рабочей частоты радиолинии, времени суток и типа отражающего слоя. Показано, что распределение pEs является двухмодовым, что позволяет определить границу между сигналами, отраженными и рассеянными слоем Es.
Рассматриваются флуктуационные характеристики Es-сигналов, в результате определяется зависимость частоты фединга от величины коэффициента отражения. Анализируются изменения частоты флуктуации Es-сигналов на радиолинии для разных условий в центре трассы.
Исследуются частотные зависимости коэффициента отражения от частоты в зависимости от параметров слоя Es в центре радиолинии. Устанавливается, что pEs при наклонном падении наиболее хорошо коррелирует с foEs, по сравнению с fbEs. Обнаруживаются изменения отражающей способности слоя Es от типа слоя, времени измерений и высоты расположения слоя. На среднестатистической основе получена аналитическая зависимость, позволяющая определять значения pEs при наклонном падении радиоволн в зависимости от предельной частоты foEs и критической частоты Е слоя foE, регистрируемых в центре трассы, а также рабочей частоты и длины радиолинии.
Проведен анализ методов определения и методик расчета коэффициента MEs - пересчета частотных параметров Es-слоя при вертикальном зондировании в максимально-применимые частоты МПЧ Es при наклонном падении. Для определения МПЧ Es вводится поправочный коэффициент К, обусловленный различием технической обеспеченности ионозонда и радиолинии. Обнаружены изменения поправочного коэффициента от типа Es-слоя, что объясняется не только геометрическими факторами, но и изменением структуры Es-слоев в зависимости от высоты его расположения, а также от величины фоновой ионизации, что приводит к суточным изменениям поправочного коэффициента при фиксированных уровнях коэффициента отражения от слоя Es.
В том случае, когда чувствительность ионосферной станции и радиолинии близки, значения коэффициента К не должны существенно отличаться от единицы. Это положение проверялось при зондировании на скользящей частоте на трассе Москва-Казань. Анализировалось экспериментальное распределение коэффициента К и производилось его сравнение с расчетным, которое получено на основе имитационного моделирования с применением облачной модели слоя Es.
Проводится сравнительный анализ экспериментальной зависимости pEs(f), полученной на статистической основе, с расчетными p(f) для различных теоретических моделей слоя Es.
В седьмой главе диссертации разрабатываются алгоритмы и проводится статистическое моделирование радиоканала, обусловленного слоем Es. Проводится анализ эмпирических моделей вероятностных характеристик параметров слоя Es, а также характеристик Es-сигналов. Для определения характеристик радиоканала необходимо знание закона распределения частотных параметров. Проводится сравнительный анализ экспериментальных распределений величины foEs и наиболее употребляемых гипотетических законов распределения, в результате которого показано, что ни один из них не может описать все наблюдаемые изменения в экспериментальных распределениях. Поэтому, при прогнозе условий распространения радиоволн, вместо модельных описаний распределения частотных параметров в центре трассы, возможно использование распределений для экспериментального аналога.
На основе методик определения амплитуд Es-сигналов и МПЧ Es на радиолиниях с учетом энергообеспеченности радиоканала и состояния ионосферы в центре трассы, строятся алгоритмы определения вероятности радиосвязи при отражении от слоя Es на радиолинии и определения диапазона применимых частот с высокой энергетикой сигналов и отсутствием многолучевости разных модов распространения. Проводится испытание методик и показывается их работоспособность при расчетах распространения радиоволн за счет слоя Es в декаметровом и метровом диапазонах волн.
Представляется теоретическое обоснование метода краткосрочного прогноза параметров слоя Es и проводится оценка среднеквадратической величины ошибок в зависимости от интервала времени, на который осуществляется прогноз.
В заключении приведены основные результаты и выводы выполненных исследований.
Методики исследования слоя Es и характеристики циклов наблюдений
Показателем плотности электронной концентрации слоя Es и его структуры могут быть амплитудно-частотные и амплитудно-временные характеристики, W получаемые методами ВЗ и НЗ на меняющейся частоте. Для проведения таких исследований нами использовался ионосферный измерительный комплекс "Циклон", с помощью которого регистрировались ионограммы при ВЗ и ионограммы (ДЧХ) при НЗ. Список экспериментальных циклов измерений методами ВЗ и НЗ на меняющейся частоте представлен в табл. 1.1, где D - протяженность радиолиний, f диапазон рабочих частот или номиналы рабочих частот. Для описания названия трасс пользуются сокращенными названиями по первым буквам пунктов передачи ф и приема (трасса Москва-Казань, сокращенное название МК). На рис. 1.8 представлены примеры регистрации ионограмм НЗ для трассы МК (а) и трассы КК (б). В течение I-III циклов наблюдений вырабатывались методические принципы исследования слоя Es при ВЗ и НЗ на меняющейся частоте, которые были применены в дальнейших исследованиях. По ионограммам ВЗ определялись критические частоты и их действующие высоты для слоев Е, Fl, F2, предельные частоты foEs, частоты экранирования fbEs, действующие высоты hEs и типы Es-слоев [1.40]. По ионограммам НЗ определялись максимально-применимые частоты (МПЧ) для слоев Е, Fl, F2, максимально-наблюдаемые частоты (МНЧ) для слоя Es, а также минимально-наблюдаемые частоты (МНЧ) для перечисленных слоев [1.56]. Дополнительная информация о структуре и динамике слоя Es может быть получена на основе анализа амплитудно-частотных (АЧХ) и амплитудно-дальностных (АДХ) характеристик зондирования. Для построения АЧХ слоя Es программно задавался высотный интервал, внутри которого для каждой частоты зондирования определяются максимальные значения уровня сигнала в отсчетах АЦП, соответствующие максимальным значениям амплитуды приходящего импульсного сигнала. На основе полученных АЧХ определялись изменения коэффициета отражения pEs при изменении частоты зондирования. где UEs- напряжение на входе приемника при отражении от слоя Es, U0 напряжение на входе приемника без учета потерь в ионосфере, зависит от мощности передатчика, коэффициента усиления антенн передатчика и приемника, к.п.д. передающего и приемного фидеров; T{hEs)- коэффициент неотклоняющего поглощения в области D и Е, меняется с высотой отражающего слоя. Для определения величины UEs необходимо изучить взаимосвязь между напряжением сигнала на входе приемника Uex и значением А на выходе аналого-цифрового преобразователя.
Соотношение исследовалось путем подачи на вход приемника калибровочного сигнала при изменении частоты его настройки. Было получено, что в диапазоне от 1 до 10 МГц можно использовать выражение где Uex - в вольтах, следовательно величина 20 IgiU будет соответствовать значению входного напряжение в дБ, по отношению к 1В. При этом абсолютные отклонения измеренных значений на отдельных частотах не будут отличаться больше чем на 2 дБ от значений, полученных из калибровочного выражения (1.5). Определяя значение Uo, трудно учесть изменение технических параметров комплекса при изменении рабочей частоты. Поэтому значения Uo находились по величине сигнала на входе приемника при отражении от слоя F2 в ночное время. Так как высоты отражения от слое Es и F2 различны, получим где Up2 - амплитуда импульсного сигнала, отраженного от слоя F2, exp(rF9) величина отклоняющего поглощения в слое F2. Для ночных часов величина поглощения в слое F2 не превышает 2,5 дБ. Величина коэффициента поглощения TQiEs) при определении pEs находилась по модельным расчетам, исходя из выражения, полученного в квазипоперечном приближении геометрической оптики [1.57] здесь Ne(h) - число электронов в м , v{h) - эффективная частота соударений электронов (с"1), / - рабочая частота в Гц. Значения Ne(h) и v(h) находились из [1.58]. Примеры вариаций pEs{f), а также изменений формы сигнала, отраженного от ионосферы, представлены на рис.2.1. Для выявления факторов, влияющих на поведение слоя Es, необходимо проведение комплексных измерений параметров слоя, с одновременной регистрацией динамики нейтрального ветра и контролем геомагнитных параметров Земли. Такие измерения были проведены во время циклов IV-VI. Регистрация параметров нейтрального ветра на высотах верхней мезосферы - нижней термосферы осуществлялась с помощью метеорного радара, краткое описание которого представлено в разделе 1.3. 1.3.2. Экспериментальная аппаратура и методика исследования слоя Es на радиолиниях Для количественного анализа временных и энергетических параметров радиосигналов, отраженных от слоя Es, после целенаправленной обработки были использованы результаты измерений уровня сигнала на фиксированных частотах для нескольких трасс [1.59-1.61]. Список экспериментальных трасс представлен в табл. 1.2. Измерения циклов I-IV проводились под руководством Минуллина Р.Г., автор данной работы участвовал в организации и проведении измерений цикла V, VI. Во всех случаях регистрация параметров слоя Es проводилась также при ВЗ в центральной точке между приемником и передатчиком. Измерения выполнялись круглосуточно непрерывно в течение 2-3 месяцев на нескольких рабочих частотах. Частотные каналы амплитудных регистрации в течение циклов I-V по аппаратурному исполнению были идентичными. Мощности передатчиков составляли 1...20 кВт, предельные чувствительности приемников достигали 0,1 мкВ при полосе пропускания 200 Гц. С помощью самописцев регистрировалась огибающая амплитуда U принимаемого сигнала, а его импульсные составляющие фотографировались. Низкие пороги регистрации (2-3 раза над уровнем космических шумов) приводят к тому, что регистрируются не только отраженные сигналы, но и рассеянные. Приемные каналы обеспечивают измерение амплитуды сигнала в динамическом диапазоне 120 дБ. При работе с самописцем выбор динамического диапазона принимаемых амплитуд осуществлялся оператором. В приемном модуле "Циклон" данный процесс осуществлялся автоматически, в течение первых 2-х минут регистрации происходит установка ослабления аттенюатора приемника по текущему состоянию уровня сигнала.
Особенности радиометеорного метода наблюдений ветра в нижней термосфере и экспериментальная аппаратура
В рамках данной работы предполагалось исследовать влияние динамики нейтрального ветра в нижней термосфере на неоднородную структуру ионосферной плазмы, с целью определения факторов, оказывающих влияние на образование, существование и исчезновение слоя Es. Для этого были проведены комплексные измерения в г.Казани (п. Обсерватория) цифровым ионозондом и метеорным радиолокатором. Метеорные измерения проводились сотрудниками Проблемной радиоастрономической лаборатории КГУ под руководством Сидорова В.В. и Фахрутдиновой А.Н. Результаты измерений были предоставлены автору по программам совместных исследований с Фахрутдиновой А.Н. Для сопоставления параметров нейтрального ветра с параметрами ионизированной составляющей средней атмосферы на высотах 80-110 км, необходимо представить технические параметры метеорного радара, а также создать методы совместного анализа и обработки результатов. Радиометеорный метод измерения нейтрального ветра основан на способности ионизированных метеорных следов (ИМС) отражать радиоволны метрового диапазона [1.75]. Метеорные частицы, влетающие в атмосферу Земли, при сгорании в атмосфере на высоте 80-110 км оставляют ионизированные следы, которые увлекаются движущимися воздушными массами. Направление и скорость дрейфа ИМС могут быть определены на основе доплеровских измерений, при этом они будут соответствовать направлению и скорости движения нейтральной составляющей ветра на данных высотах [1.76, 1.77]. Радиометеорный метод остается одним из самых перспективных радиофизических и прямых методов по исследованию динамики мезосферы -нижней термосферы. Это обусловлено высокой статистической надежностью значений ветровых параметров, непрерывностью и регулярностью измерений, независимостью от погодных условий и времени наблюдений; а также относительной дешевизной аппаратуры. В настоящее время радиометеорные наблюдения проводятся более чем в тридцати пунктах земного шара [1.78-1.80]. В Казанском университете первые исследования движений в метеорной зоне были проведены в период МГСС (1964-65гг.). В дальнейшем метеорная радиолокационная станция (МРЛС) неоднократно модернизировалась. С 1986г. МРЛС была оснащена фазовым угломерным устройством для измерения угловых координат принимаемых метеорных отражений, что позволяет исследовать высотную структуру ветра. Для совместного анализа использовались измерения динамики ветра на МРЛС КГУ-5М, который расположен на полигоне п. Обсерватория возле г.Казани.
Основные технические характеристики комплекса следующие [1.78-1.80]: - рабочая частота 32 МГц; - длительность импульсного сигнала 100 мкс; - частота следования импульсов 400 Гц; - импульсная мощность передающего устройства 150 кВт; - чувствительность приемных устройств 0,7 мкВ при отношении сигнал/шум, равном 2; - полоса пропускания 25 кГц; - передающая антенна сдвоенная, типа "волновой канал"; - приемные антенны - пять трехэлементных антенн типа "волновой канал". Измерения производятся в четырех взаимо-ортогональных азимутах с помощью вращения приемных антенн в соответствии с программой наблюдений. Горизонтальные размеры области зондирования при наблюдении в одном азимуте составляют поверхность -200x200 км, при круговом обзоре 400х400 км. Угловые координаты находятся по измерениям разности фаз между центральной и боковыми антеннами. Разрешающая способность фазового угломера в максимуме диаграммы направленности по азимутальному и зенитному углу, равна примерно 20 угловым минутам, по высоте 1 км. Точность определения радиальной скорости составляет примерно 3 м-с"1. Метеорный метод наблюдения ветра имеет ряд особенностей и ограничений, которые необходимо учитывать при последующем анализе результатов. Измерения данным методом проводятся в ограниченной высотной зоне, при этом, численность метеорных радиоотражений меняется в течение суток, сезона, в зависимости от высоты и азимута наблюдений. Получено [1.81], что 80% радиоизмерений относятся к высотному интервалу 88 -4-102 км, со средним значением, примерно равным 95 км.
При одностанционном методе определения зональной и меридиональной компонентов ветра имеется существенное пространственное разнесение областей зондирования. Поэтому повышение статистической устойчивости оценок параметров ветра для уменьшения случайного разброса индивидуальных измерений достигается пространственным и временным усреднением получаемых значений.
Однако необходимо учитывать масштабы выделяемых движений, а также корреляционную взаимосвязь различных составляющих ветра [1.80]. Кроме этого, регистрация метеорным радаром может нарушаться появлением в приемном канале наряду с сигналами, отраженными от метеорных следов, сигналов, обусловленных возвратно-наклонным распространением (ВНР). По времени такие моменты совпадают со значительным повышением электронной концентрации в ионосфере вблизи области облучения и приема метеорных радиосигналов. Это может быть обусловлено как слоем F2, так и слоем Es. Можно определить значение эквивалентной частоты зондирования ґзкв радара при односкачковом распространении радиоволны, которое для зоны формирования метеорного радиоэхо (h=80- -110 км) будет, примерно, в зависимости от высоты отражения меняться от 8,9 до 13.3 МГц. При превышении данной частоты критической частотой слоя F2 будет возникать ВНР, которое парализует работу метеорного радара. В годы максимума солнечной активности летом такие моменты времени могут наблюдаться до 30% случаев наблюдений, в основном с 8 до 20 часов LT, зимой до 40% с 8 до 18 часов LT. Летом, особенно в вечернее время, ВНР может возникать из-за появления слоя Es с foEs f3KB в примерно 20% случаев. Из-за ограниченных пространственных размеров слоя Es работа радара может быть парализована в одном из азимутальных направлений наблюдений. Таким образом, массивы параметров ветра могут прерываться, в особенности это соответствует
Экспериментальные измерения коэффициента отражения при вертикальном зондировании
Заключение о структуре отражающего слоя можно сделать по виду АЧХ в диапазоне AfbEs, дополняя его анализом регистрации импульсных сигналов [2.34-2.36]. Для этого вернемся к рис.2.1а, где представлена последовательность амплитудно-частотных регистрации от слоев Е и Es, полученная 30 июля 1988 г. во временном интервале с 9h30m до llh00m LT. Амплитудно-дальностные регистрации в диапазоне высот от 100 до 160 км в виде импульсов для ряда частот зондирования через 0,5 МГц показаны на рис.2.16. Напомним, что значения fbEs отмечены штриховыми стрелками, предельным частотам будут соответствовать частоты, на которых линии АЧХ обрываются. Видно, что с изменением частоты выше foE импульсные сигналы для измерений в 9h30m, 9h45m и 10h00m не отличаются от импульсных сигналов, отраженных от регулярного слоя Е. АЧХ в 9h30m соответствует отражению от тонкого однородного слоя (Az l км) с диапазоном полупрозрачности менее 0,1 МГц. Далее, как следует из анализа интерференционных замираний, в 9 45 и 10h00m наряду с небольшим увеличением fbEs происходит повышение среднего градиента электронной концентрации на нижней границе слоя. Оценки согласно [2.40], показывают, что в 9h30m средний градиент электронной концентрации примерно равен 8-Ю10 м 3км"\ в 10h00m градиент увеличивается и достигает значения около 9-Ю10 м 3км"\ Причем, т.к. интерференционные замирания будут частота для измерений в 9h45m будет примерно равна 4,9 МГц, что несколько больше наблюдаемого значения fbEs. Уровень сигнала, отраженного от слоя Es, свыше fbEs для данной регистрации, мало изменяется с частотой и существенное его понижение наблюдается уже при f fm, что характерно для тонкого "взаимодействующего" слоя (толщина 1 км). На амплитудно-дальностных регистрациях (рис. 2.16), полученных в 10 00ш при отражении от слоя Es, наблюдаются два отраженных импульса, причем АЧХ соответствует ранее пришедшему импульсу. На частотах выше 5,5 МГц имеется сильное уширение импульсного сигнала, что, возможно, обусловлено обратным рассеянием от мелкомасштабных неоднородностей. Уровень сигнала при этом ниже среднего значения амплитуды сигнала в диапазоне от foE до fbEs на 30-35 дБ.
Такие же данные, по уровню рассеянного сигнала, приведены в [2.26]. В 10 30ш происходит усиление турбулентности, и диапазон полупрозрачности сильно возрастает, причем при превышении fbEs амплитуда сигнала почти не меняется примерно до 5,5 МГц. Затем, хотя амплитуда сигнала и понижается, однако, и далее наблюдаются резкие возрастания уровня сигнала в небольших частотных диапазонах. Импульсный сигнал подобен сигналу, отраженному от слоя Е для частот до 4 МГц (около fbEs), на более высоких частотах он становится многолучевым. Большой диапазон полупрозрачности сохраняется в 10h45m с последующим уменьшением в llh00m. Отметим, что на рис.2.1а значения fbEs мало меняются от регистрации к регистрации. Как было отмечено ранее, усиление плотности турбулентных неоднородностей электронной плотности в слое Es может происходить из-за повышения среднего градиента электронной концентрации. Поэтому возникновение интерференционных замираний на АЧХ в предыдущие интервалы зондирования до появления слоя с большим значением AfbEs служит доказательством турбулентной природы этих неоднородностей. Предпологается, что полупрозрачный слой Es имеет сильно неоднородную горизонтальную структуру и отражение происходит от облаков ионизации с размерами, превышающими первую зону Френеля (г = A-hEs). Это подтверждается последними экспериментальными результатами работы [2.32], где по наблюдениям слоя Es с помощью KB радара с узкой ( 4) диаграммой направленности антенн получено, что экранирующий слой является гладким слоем, с наклонами 1 градуса по горизонтали, в то время, как полупрозрачный слой Es состоит из облаков ионизации от нескольких км до 25 км. Сходные результаты получены в работе [2.26], где при широкополосном ВЗ импульсным сигналом с длительностью 6 мкс определено, что в диапазоне полупрозрачности наблюдаются несколько импульсов, отраженных от облаков ионизации, причем уровень рассеянного сигнала только в некоторые моменты времени примерно на 30 дБ меньше максимально отраженного сигнала. Проведем сравнение экспериментальных вариаций коэффициента отражения от Es-слоя в диапазоне полупрозрачности с расчетными изменениями p(f). На рис.2.3 для примера представлена последовательность характеристик pEs(f) в дБ, полученная при ВЗ 30.07.88г. для моментов времени 9h30m (линия 1), 10h00m (линия 2) и 10 30 LT (линия 3). Регистрация pEs(f) производилась в диапазоне от 0 до -40 дБ. Для всех трех измерений значения предельной частоты fbEs не отличались друг от друга и были равны 4,1 МГц, что на рис.2.3 отмечено стрелкой.
Вид характеристики pEs(f) для 9h30m соответствует отражению радиоволны от тонкого (Az l км) пространственно-однородного слоя. Также, на рис.2.3 (линия 4) представлена характеристика pEs(f) для градиентного слоя, при этом расчет производился по формуле Френеля [2.56], а также характеристика pEs(f) (линия 5), обусловленная обратно-рассеянным сигналом для вытянутых вдоль слоя неоднородностей и условий, обсуждавшихся выше. Видно, что экспериментально наблюдаемые зависимости для регистрации в 10h00m и 10h30m , когда значения AfbEs возрастают свыше 2 МГц, не могут быть объяснены предлагаемыми моделями. Таким образом, для слоя Es с большими диапазонами полупрозрачности, по-видимому, необходимо использовать облачную модель слоя, при этом отраженный сигнал в диапазоне полупрозрачности слоя будет многолучевым, так как будет отражаться от неоднородностей с масштабами, соизмеримыми с размерами первой зоны Френеля. Согласно рассмотренным результатам измерений, а также в соответствии с работой [2.56], можно сделать вывод, что foEs для Es-слоев с большим диапазоном
Влияние вариаций параметров ветра в верхней мезосфере - нижней термосфере на вариации высотно-частотных параметров слоя Es
Каждая составляющая ветра в нижней термосфере: приливные волны, ВГВ, преобладающий ветер, может осуществить перераспределение уже существующей метеорной ионизации, приводя к образованию Es-слоев. Невозможно выделить влияние только одной составляющей из-за их одновременного воздействия, но можно выделить моменты времени, когда влияние одной из них преобладающее. В данном разделе показано действие каждой из составляющих ветра на интенсивность и высоту образования слоя Es. В работе используется терминология при описании направления ветра, принятая исследователями ионосферы, а не нижней атмосферы. Так например, для ветра, дующего на север, будет использоваться термин «северонаправленный ветер», вместо «южный ветер». 3.3.1. Влияние преобладающего ветра на слой Es Появление Es-слоев в однородном, не имеющем сдвига скорости по высоте, горизонтальном ветре возможно благодаря тому, что по обе стороны определенной высотной границы (около 120 км) вертикальный перенос ионов контролируется различными компонентами преобладающего ветра: выше 110-120 км дрейф определяется преобладающим ветром меридионального направления, а ниже зонального [3.17]. Таким образом согласно ТВС, в случае действия однородного по высоте преобладающего ветра, благоприятным для образования интенсивных Es-слоев должен быть ветер, направленный на северо-восток, а в случае действия какой-либо приливной моды Es-слои должны появляться в определенные моменты времени суток, соответствующие прохождению конвергирующими узлами (CZ) области 100-115 км. Нет возможности полностью ограничить воздействие приливной моды при анализе влияния преобладающего ветра на интенсивность слоя Es. Поэтому при изучении благоприятных для образования Es-слоев факторов (направления, скорости преобладающего ветра и амплитуды приливной моды) необходимо выбирать лишь такие дни, когда скорость преобладающего ветра будет превышать амплитуду приливной моды и наоборот. В работах [3.13, 3.70, 3.75] такой анализ проводился с использованием массива значений предельной частоты foEs слоя Es, для измерений на ст. Горький, и массива значений преобладающего и приливного ветра, для измерений на МРЛС в Обнинске, для 1987-1989гг. Напомним, что данные измерения на МРЛС в Обнинске не имеют высотного разрешения и относятся к высотному интервалу 80-110 км со средней высотой 95 км.
Корреляция интенсивности Es-слоя среднесуточных значений dfoEs =foEs-foEme и компонент преобладающего ветра оказалась низкой, равной 0,1 и -0,27 соответственно для зональной и меридиональной скорости ветра. Поэтому в дальнейшем производились вычисления условной вероятности P( dfoEs fj, Vi V V2), для : 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 МГц и V2-V!=10 м/с, для 10 интервалов скоростей. Анализ гистограмм условных вероятностей появления Es-слоев в зависимости от величины скорости преобладающего ветра для зональной и меридиональной компонент показал, что вероятность повышается при увеличении скорости зонального ветра в восточном направлении и с ростом южнонаправленного ветра до значений 20-30 м/с. Данный вывод несколько противоречит результатам работы [3.17], когда Es-слои должны образовываться во время одновременного действия однородных восточнонаправленного и северонаправленного (а не южнонаправленного) ветра на высотах 120-125 км (в зоне их равного влияния на вертикальный дрейф ионов). Использование данных МРЛС в Казани позволяет регистрировать движения с учетом высотного разрешения. На рис.3.7 представлены высотные профили преобладающего ветра (а) с 7 по 14 июня 1986г. и межсуточные вариации значений 5foEs =(foEs-foEme)/foEme для того же периода для ст. Горький. Видно, что повышенные значения 5foEs 8 и 9 июня соответствуют появлению в области ПО км северонаправленного ветра, хотя аналогичное направление меридионального ветра 12 июня не дает подобных результатов, что объясняется значительным ослаблением восточнонаправленного ветра. В работе [3.72] проводился анализ влияния преобладающего ветра для высотного интервала 100-110 км на межсуточные вариации значений 5foEs для ст. Горький. На рис.3.8 представлены изменения 5foEs (а) и преобладающего ветра (б): кружки - меридиональная компонента V0, квадраты - зональная Uo, для июня 1986г. Видно, что появление северонаправленного ветра соответствует повышению 5foEs . Расчет коэффициентов корреляции показал, что корреляция параметра интенсивности слоя и меридионального ветра R( 5foEs , V0)=0,52 выше, чем для зонального R( 8foEs , U0)=0,34. Хотя, при усреднении параметров за трое суток корреляция повышается R( 5foEs , V0)=0,6; R( 8foEs , U0)=0,56.
