Фрактальная структура плазменной турбулентности среднеширотной верхней ионосферы

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список используемых сокращений.................................... 6
Введение ......................................................... 8
Часть I. Исследование неоднородной структуры верхней ионосферы средних широт с помощью радиозондирования ее сигналами ИСЗ и спектрального анализа принимаемых сигналов ... 47
Глава 1. Неоднородности электронной концентрации среднеширотной ионосферы.................................................... 47
1.1. Краткий обзор исследований неоднородной структуры верхней ионосферы (по результатам наземных наблюдений за сигналами ИСЗ в 50-х - 90-х годах XX века в естественных условиях и при модификации ионосферы мощным КВ излучением).............................................. 47
1.2. Основные модели спектров мелкомасштабной плазменной турбулентности верхней ионосферы. Достоинства и недостатки спектрально-корреляционного подхода в исследованиях ионосферной турбулентности............................ 64
1.3. Выводы............................................... 70
Глава 2. Некоторые результаты специальных экспериментальных
исследовании плазменной структуры среднеширотной ионосферы с помощью радиозондирования ее сигналами орбитальных ИСЗ........................................... 73
2.1. Радиоизмерительный комплекс ФГБНУ НИРФИ для диагностики естественной и искусственной ионосферной турбулентности с помощью наземного приема сигналов орбитальных ИСЗ. Спекгральная обработка принимаемых сигналов ... 73
2.2. Измерение спектральных характеристик плазменной турбулентности верхней ионосферы при воздействии на нее мощ-
ным КВ радиоизлучением ................................
2.3. Анизотропная структура искусственной ионосферной турбулентности по результатам специального томографического эксперимента с радиозондированием среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ..........................
2.4. Анизотропная структура мелкомасштабной ионосферной турбулентности в возмущенных геофизических условиях ....
2.5. Выводы...............................................
Часть II. Изучение фрактальной структуры ионосферной турбулентности - новое научное направление в исследованиях неоднородной структуры электронной концентрации верхней ионосферы...................................................
Глава 3. Теоретические основы исследований мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ ............................
3.1. О фрактальных свойствах мелкомасштабных ионосферных неоднородностей электронной концентрации. Новый (фрактально - корреляционный) подход к исследованию радиомерцаний сигналов ИСЗ в ионосферной плазме ..............
3.2. Мультистепенной спектр мелкомасштабной ионосферной турбулентности в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением ..................
3.3. О фазовом методе исследований мультифрактальной структуры ионосферной и космической плазмы ...................
3.4. Некоторые особенности перспективных исследований мультифрактальной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с использованием вейвлет-преобразования ..........................................
3.4.1. Метод ММВП: анализ сингулярных мер и сингулярных
4
функций .................................................. 134
3.4.2. Мулыифрактальный анализ сигналов с использованием вейвлет-преобразования ...................................... 143
3.4.3. Об одной особенности дистанционного зондирования ионосферной турбулентности .................................. 149
3.4.4. Об одной особенности исследований тонкой мультифрактальной структуры ионосферной турбулентности ................ 154
3.5. Выводы.................................................. 158
Глава 4. Фрактальная структура развитой мелкомасштабной турбулентности среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным коротковолновым радиоизлучением ........................................ 160
4.1 Некоторые особенности фрактальной структуры развитой
мелкомасштабной ионосферной турбулентности ............. 160
4.2. Мультифрактальная структура перемежаемости развитой ионосферной турбулентности ................................ 170
4.3. Об истинных значениях показателей спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности. Мультистепенной спектр плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы ..................................................... 185
4.4. К вопросу о мультифрактальной структуре мелкомасштабной ионосферной турбулентности ............................ 193
4.5. Мультифрактальная структура ионосферной турбулентности в аномальных геофизических условиях (во время солнечного затмения 1 августа 2008 г.) ......................... 200
4.6. Некоторые особенности фрактальной структуры искусственной ионосферной турбулентности. Мультистепенной спектр плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы при воздействии на нес мощным коротковолновым радиоизлучением ............................................. 206
5
4.7. Результаты исследований мультифрактальной структуры ионосферной плазмы с использованием фазового метода .... 219
4.8. Эффект магнитного зенита и мультифрактальная структура искусственной мелкомасштабной ионосферной турбулентности ...................................................... 225
4.9. Сравнительная характеристика фрактальных свойств мелкомасштабной плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным коротковолновым радиоизлучением ......... 248
4.10. Выводы............................................... 253
Глава 5. Фрактальная структура плазменной турбулентности перемещающихся ионосферных возмущений на средних широтах ............................................................. 257
5.1. О мелкомасштабных плазменных неоднородностях перемещающихся ионосферных возмущений .......................... 257
5.2. Фрактальная структура мелкомасштабных перемещающихся ионосферных возмущений ................................... 269
5.3. Фрактальная структура крупномасштабных неоднородностей электронной концентрации перемещающихся возмуще- 284
ний в среднеширотной ионосфере .......................
5.4. Выводы................................................ 296
Заключение ....................................................... 298
Литература ....................................................... 302
Список используемых сокращений
6
АГВ акустико-гравитационные волны
АД ам пл итудны й детектор
ГЛОНАСС Глобальная Навигационная Спутниковая Система
ВГВ внутренние гравитационные волны
вп вейвлет-преобразования
дмв дециметровые волны
исз искусственный спутник Земли
иит искусственная ионосферная турбулентность
ИТ ионосферная турбулентность
КВ коротковолновое
MB метровые волны
МВт мегаватт
МГц мегагерц
М3 магнитный зенит
мин мелкомасштабные ионосферные неоднородности
МИТ мелкомасштабная ионосферная турбулентность
МИИТ мелкомасштабная искусственная ионосферная турбулентность
ммвп (метод) максимумов модулей вейвлет-преобразования
МСФ (метод) многомерных структурных функций
НИР научно-исследовательская работа
НИРФИ Научно-исследовательский радиофизический институт
пив перемещающееся ионосферное возмущение
пч промежуточная частота
РПУ радиоприемное устройство
ФГБНУ Федеральное государственное бюджетное научное учреждение
УВЧ усилитель высокой частоты
УКВ ультракоротковолновое
GPS Global Positioning System
MHAT
MSK
MZ
NNSS
TLE
UT
7
(глобальная навигационная система)
(вейвлет) ’’Mexican HAT”
Московское время
магнитный зенит
Navy Navigation Satellite System
(Американская спутниковая радионавигационная система первого поколения)
Three-Line Format
(формат файла параметров орбит ИСЗ)
Universal Time (Гринвичское время)
Введение
Общая характеристика проблемы и актуальность задач исследований.
Ионосфера Земли - это природная плазменная лаборатория. Ее неоднородная структура является довольно чувствительным индикатором разнообразных естественных и искусственных возмущений, происходящих в атмосфере Земли и околоземном космическом пространстве. Исследования неоднородной структуры ионосферы Земли представляют большой интерес как для фундаментальной науки, расширяя наши представления о процессах, происходящих в магнитоактивной плазме, так и для решения чисто прикладных задач, связанных с проблемами трансионосферной связи, навигации, загоризонтной радиолокации и радиоастрономии. И хотя неоднородная структура ионосферы наиболее подвержена разнообразным геофизическим возмущениям в области приполярных и экваториальных широт [1 - 12), исследования неоднородной структуры среднеширотной ионосферы представляют самостоятельный интерес особенно с точки зрения возможности ее искусственного возбуждения мощным высокочастотным коротковолновым (КВ) излучением нагревного стенда СУРА, расположенным в Нижегородской области [13, 14]. Являясь уникальной научной установкой России (регистрационный №06-30), данный нагревный стенд остается единственным действующим в нашей стране и единственным среднеширотным среди подобных стендов мира. Его географическое положение и технические возможности позволяют моделировать процессы, характерные не только для среднеширотной, но и для приполярной и экваториальной ионосферы. Исследования, проведенные в 70-х - 90-х годах прошлого века с помощью нагревных стендов США и СССР, показали возможность возбуждения в верхней ионосфере Земли искусственных неоднородностей самых разных масштабов [15-23]. Необходимо отметить, что изучение свойств ионосферной плазмы проводится разнообразными методами, среди которых одним из первых стал применяться метод импульсного вертикального зондирования. Благодаря применению этого
9
метода, который и сейчас используется в международной сети ионосферных станций для регулярных наблюдений, была обнаружена неоднородная структура ионосферы и были проведены ее первые экспериментальные и теоретические исследования (см. [24] и цитируемую там литературу). Экспериментальные данные о неоднородной структуре ионосферы были получены как с использованием дистанционных методов зондирования, основанных на эффектах распространения радиоволн в случайнонеоднородных средах [12, 25 - 30], так и с помощью датчиков, установленных на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и ракетах [31 - 35].
Космические исследования неоднородной структуры электронной концентрации в ионосфере весьма интенсивно проводились учеными разных стран в 60-х - 90-х годах прошлого столетия после запуска первого искусственного спутника Земли в 1957 г. После обнаружения в начале 70-х годов степенного характера спектра ионосферной турбулентности большое внимание стало уделяться изучению спектральных характеристик ионосферной турбулентности в различных геофизических условиях, в том числе и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Во всех этих многочисленных ионосферных исследованиях применялись стандартные методы спектрального анализа флуктуирующих сигналов, пригодные для статистической обработки квазистационарных случайных процессов. Такие же методы ранее применялись в исследованиях атмосферной турбулентности с помощью зондирования ее электромагнитными и звуковыми волнами. Но при этом в них активно использовался и метод структурных функций 2-го порядка для определения асимптотического поведения флуктуаций принимаемого сигнала. В результате был установлен квазистационарный характер случайного процесса рассеяния волн в атмосфере Земли изотропной турбулентностью с практически единственным показателем спектра р3-11/3, однозначно связанным с единственным показателем структурной функции (р2-2/3 простым соотношением р3=3 + (р2 [25, 30].
10
В исследованиях неоднородной структуры ионосферной турбулентности метод структурных функций практически не использовался. Более того, не было выполнено ни одной работы, в которой бы одновременно определялись структурные функции и спектральные характеристики исследуемого случайного процесса рассеяния высокочастотных радиоволн в ионосферной плазме. А в результате многочисленных исследований спектров ионосферной турбулентности были зарегистрированы большие (в несколько единиц) вариации показателей этих спектров в зависимости от условий распространения радиоволн в ионосфере, состояния ионосферы, различных геофизических условий наблюдения и т.п.
Но поскольку должный контроль за стационарностью исследуемого случайного процесса в этих работах не проводился, то достоверность полученных сведений о спектральных характеристиках мелкомасштабной ионосферной турбулентности (МИТ) вызывает серьезные сомнения. Кроме того, в рамках классического метода радиомерцаний, применявшегося в этих работах, всегда предполагалась равномерное распределение мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в ионосфере. А результаты уже первых наших экспериментальных исследований перемежаемости МИТ говорят о том, что МИГ имеет неравномерное фрактальное распределение в пространстве [37, 38].
Теория фракталов и мультифракталов успешно применяется для описания свойств самоподобия и сложного скейлинга в различных физических системах. Работы Б. Мандельброта во второй половине XX века [39 - 41] подтолкнули исследования фрактальных-мультифрактальных свойств физических и биологических объектов, в том числе и геофизических [42 - 53]. Были обнаружены фрактальные объекты в нижней атмосфере, на Солнце, выявлена фрактальная структура геомагнитных пульсаций и межпланетного пространства [54 - 70]. Естественно было предположить, что и верхняя атмосфера обладает фрактальными свойствами. В конце XX века были выполнены пробные измерения фрактальных свойств
11
трансионосферных сигналов в УКВ и КВ диапазонах (методом радиопросвечивания для геостационарного спутника в условиях экваториальной и среднеширотной ионосферы [71, 72] и пассивного наклонного зондирования [73, 74]), но полномасштабных исследований фрактальных свойств непосредственно ионосферных неоднородностей не проводилось, тем более методом радиопросвечивания сигналами низкоорбитальных ИСЗ. Примечательно, что в энциклопедическом труде [75], охватывающим все аспекты применения радиофизических методов в исследовании фрактальных свойств окружающего пространства имеется только одна ссылка, посвященная исследования ионосферы. Необходимо отметить, что эта работа [74], посвященная исследованиям фрактальных свойств сигналов, рассеянных естественными и искусственными (созданными нагревным стендом СУРА) неоднородностями оказала существенное влияние на наши дальнейшие исследования в этой области.
Известно, что в последние десятилетия на Земле наблюдаются значительные климатические изменения (см., например, [76]). Долговременные тренды выявлены по многим метеопараметрам атмосферы [76 - 78]. Долговременные изменения параметров /-слоя ионосферы также отмечалось во многих работах [79 - 85]. Кроме тренда критической частоты /-слоя, выявлены тренд вероятности появляемости крупномасштабных неоднородностей /’-слоя, ответственных за перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ) и явление /-рассеяния (/-spread), установлена взаимосвязь с солнечной активностью [86 - 89]. Одной из вероятных причин этого тренда может быть рост техногенного (антропогенного) воздействия. Но для точного ответа на этот вопрос необходимо уметь отличать неоднородности естественного (природного) происхождения от искусственных, вызванных техногенным воздействием на ионосферу. В работе [74] впервые для выявления природы неоднородностей в /-слое ионосферы было предложено проводить оценку фрактальной размерности сигналов, рассеянных данными неоднородностями. Применение метода
12
корреляционного интеграла в этой работе позволило уверенно отличать естественные ионосферные неоднородности от искусственных, вызванных воздействием мощного КВ излучения нагревного стенда СУРА. Применение методов фрактального и мультифрактального анализа позволяет, как мы убедились, идентифицировать природу возникновения ионосферных неоднородностей [90 - 92].
В последние годы математический аппарат фрактального -мультифрактального анализа был развит в приложении ко многим физическим задачам, в первую очередь при изучении сильноразвитой турбулентности, где в 1985 году был предложен метод структурных функций [93, 94], а позднее в 1991 году был предложен более совершенный метод максимумов модулей вейвлет-преобразований (ММВП) [94 - 97], который нашел широкое применение для статистического описания коротких и нестационарных процессов.
Первые теоретические и экспериментальные исследования мультифрактальной структуры развитой МИТ были выполнены в [98, 99]. С помощью мультифрактального анализа амплитудных записей принимаемых от орбитальных ИСЗ сигналов была продемонстрирована возможность определения неравномерного фрактального распределения
мелкомасштабных ионосферных неоднородностей в пространстве. В [99] впервые в ионосферных исследованиях неоднородной структуры ионосферы было показано, что истинное значение показателя спектра МИТ, определяемое в результате мультифрактальной обработки амплитудной записи принятого сигнала (/?3 = 2,7), может заметно отличаться от его значения, вычисленного по стандартной методике спектрального анализа для стационарного случайного процесса (/?3 = 3,8).
Дело в том, что в реальных нестационарных условиях рассеяния высокочастотных радиоволн в ионосферной плазме классический метод спектрального анализа радиосигналов не работает и может приводить к существенным ошибкам в определении спектральных характеристик МИТ. В
13
исследованиях неоднородной структуры ионосферной турбулентности для получения достоверной информации о локальной структуре МИТ как в естественных условиях, так и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением, следует применять мультифрактальный анализ принимаемых от орбитальных ИСЗ сигналов, основанный на методах многомерных структурных функций (МСФ) и вейвлет-преобразования (ВП), которые пригодны в условиях нестационарных случайных процессов.
В последние десятилетия прошлого века в нашей стране и США, а позднее в Норвегии и Великобритании, начало активно развиваться новое научное направление по исследованию нелинейных явлений, возникающих в ионосферной плазме при взаимодействии с мощным коротковолновым излучением. Уже в первых экспериментах было установлено, что при отражении мощной радиоволны обыкновенной поляризации от /♦'-области ионосферы возникает сильная искусственная ионосферная турбулентность с масштабами неоднородностей электронной концентрации от нескольких сотен километров до единиц сантиметров. Возбуждение искусственных неоднородностей с широким пространственным спектром в области отражения мощной волны позволило исследовать ряд явлений и физических процессов, характерных для верхней ионосферы. Были выполнены исследования явлений аномального ослабления, искусственного ^рассеяния (Аэргеас!), изучены процессы диффузии флуктуаций электронной концентрации и процессы переноса возмущений в магнитоактивной плазме. При взаимодействии мощной электромагнитной волны с ионосферной плазмой были обнаружены искусственное свечение ^слоя и искусственное радиоизлучение ионосферы, искусственное низкочастотное излучение ионосферы (эффект Гетманцева) [100, 101]. Совершенствовались и методы исследований параметров искусственных неоднородностей. Наряду с традиционными методами радиозондирования в КВ (ионосферные станции) и УКВ (радары некогерентного зондирования) диапазонах и радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ и космическими
14
источниками стали применяться новые методы исследований (оптические, магнитометрические, инфразвуковые, искусственных периодических неоднородностей и т.д.). Дальнейшее развитие метода радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ позволило разработать и реализовать системы томографического мониторинга ионосферы как с помощью низкоорбитальных спутников, так и с использованием систем глобального позиционирования GPS и Глонасс [102, 103]. В результате проведенных детальных исследований искусственной ионосферной турбулентности было установлено, что за образование неоднородностей с поперечными к геомагнитному полю масштабами меньше длины волны накачки ответственны тепловая параметрическая и резонансная неустойчивости [101, 104 - 108], а за возбуждение неоднородностей с масштабами больше-порядка километра - самофоусировочные неустойчивости электромагнитных и плазменных волн [109, 110], которые развиваются в области отражения мощной волны. Известно, что при воздействии на ионосферу мощным высокочастотным излучением, распространяющимся вдоль силовых линий магнитного поля, наблюдается явление магнитного зенита (М3) при котором возникает сильноразвитая магнитоориентированная ионосферная турбулентность [91, 101, 111 - 126]. Диагностика этой турбулентности сигналами орбитальных ИСЗ методом радиопросвечивания проводилась и ранее (112— 117, 124], но впервые измерения были проведены синхронно на двух частотах (150 и 400 МГц) метом амплитудных мерцаний, причем на частоте 400 МГц при прохождении радиолуча через область М3 наблюдались чрезвычайно сильные, явно нестационарные мерцания, обработка которых методом спектрально-корреляционного анализа явно невозможна (см. разделы 1.2 и 4.9 данной диссертации) [91, 126].
В свете вышеизложенного представляется чрезвычайно актуальным изучение фрактальной структуры ионосферной турбулентности. Данная диссертационная работа и посвящена этой теме. Фактически это новое направление в исследованиях неоднородной структуры околоземной плазмы
15
радиофизическими методами. В диссертации рассмотрены теоретические основы исследований мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ. Представлены результаты первых экспериментальных исследований фрактальной структуры ионосферной плазмы как в естественных условиях, так при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением.
Предложен и апробирован на реальных экспериментальных данных перспективный фазовый метод исследований мультифрактальной структуры околоземной и космической плазмы, основанный на измерении многомерных структурных функций для фазовых флуктуаций принимаемых сигналов от спутников и космических радиоисточников.
Фазовый метод может быть использован для получения обширных данных о мультистепенкых и мультифрактальных спектрах ионосферной и космической плазменной турбулентности в различных геофизических условиях, для разных географических (и геомагнитных) широт земного шара, в разное время суток, в условиях развитой гелиоактивности и т.д. Но такая детальная информация о фрактальной структуре ионосферной турбулентности станет доступной лишь при проведении соответствующих развернутых работ по диагностике неоднородной структуры ионосферы и космической плазмы с применением указанного фазового метода или его модификаций. Фактически речь идет о многолетней международной программе перспективных исследований мультифрактальной структуры ионосферной и космической плазмы. Для таких масштабных исследований необходима скоординированная работа многих научных коллективов из разных стран мира. Настоящая диссертационная работа фактически является основой большого цикла будущих работ в новом научном направлении исследований неоднородной структуры ионосферы - изучении фрактальной структуры ионосферной турбулентности.
16
Совокупность рассмотренных положений позволяет считать диссертационную тему чрезвычайно актуальной как в части
фундаментальных исследований свойств неоднородной структуры
ионосферной плазмы, так и в части практического применения для систем трансионосферной радиосвязи, радиолокации и космической навигации.
Цепью диссертационной работы является разработка теоретической модели и экспериментальное исследование фрактальной структуры развитой турбулентности среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Реализация поставленной цели достигается на основе решения следующих задач:
1. Разработка теоретических основ исследований мультифрактал ьной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования среднеширотной ионосферы сигналами ИСЗ в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Выявление особенностей исследований
мул ьти фрактальной структуры мелкомасштабной ионосферной
турбулентности с использованием вейвлет-преобразования.
2. Экспериментальные исследования мультифрактал ьной структуры среднеширотной развитой мелкомасштабной ионосферной турбулентности в естественных условиях, в том числе в условиях солнечного затмения. Определение истинных значений показателей спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности и мультистепенных спектров плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы.
3. Экспериментальные исследования мультифрактал ьной структуры среднеширотной развитой мелкомасштабной ионосферной турбулентности при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Выявление особенностей мультифрактальной структуры МИТ в условиях, когда наблюдается эффект магнитного зенита.
17
4. Экспериментальные исследования фрактальной структуры плазменной турбулентности перемещающихся ионосферных возмущений электронной концентрации на средних широтах.
Научная новизна и практическая ценность. Настоящая диссертационная работа фактически является первой системной работой в новом научном направлении исследований неоднородной структуры ионосферы - изучении фрактальной структуры ионосферной турбулентности. В диссертации разработан принципиально новый фрактально-корреляционный подход к исследованию флуктуаций сигналов ИСЗ в ионосферной плазме, что позволило получить необходимую информацию об истинных значениях показателей локальных спектров флуктуаций электронной концентрации для изотропной ионосферной турбулентности в естественных условиях и анизотропной мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности, а также определить значения фрактальных размерностей пространства, занятого в ионосфере мелкомасштабными неоднородностями электронной концентрации. Результаты сопоставлены с полученными ранее многочисленными экспериментальными данными о неоднородностях электронной концентрации среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощного КВ излучения. По результатам диссертационной работы сделан вывод о целесообразности проведения развернутых работ в рамках комплексной международной программы перспективных исследований фрактальной структуры ионосферной турбулентности.
В диссертации получены следующие новые результаты:
• Впервые предложен и экспериментально апробирован фрактальнокорреляционный метод определения фрактальной размерности пространства, занятого в ионосфере неоднородностями электронной концентрации, и истинного показателя р3 спектра изотропной мелкомасштабной ионосферой турбулентности по измеряемым в эксперименте фрактальной размерности О, и значению показателя спектра
18
амплитудной записи принимаемого сигнала рл при дистанционном зондировании ионосферы. Получены характерные значения фрактальной размерности Ду пространства, занятого естественными неоднородностями МИТ, и истинные значения показателя /?3 спектра. Проанализированы условия резко неравномерного распределения локальных фрактальных структур МИТ в пространстве.
• Получены соотношения, связывающие измеряемую в эксперименте фрактальную размерность Ол амплитудной записи принимаемого сигнала при дистанционном зондировании ионосферы с фрактальной размерностью Оу пространства, занятого в ионосфере неоднородностями, и значением истинного показателя р2 анизотропного спектра флуктуаций электронной
концентрации мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности (МНИТ). Выявлено существенное различие фрактальных размерностей Ду для МИТ и МИИТ даже при одинаковых Оаф 1.
• Показано, что изотропная локальная структура мелкомасштабной ионосферной турбулентности, описываемая мультистепенным спектром Фы (к), однозначно определяется набором соответствующих гельдеровских экспонент ац из мульгистепенного спектра флуктуаций амплитуды,
принимаемых от орбитальных ИСЗ сигналов после ргщиопросвечивания ими среднеширотной ионосферы.
• Показано, что неравномерное распределение в пространстве ионосферных неоднородностей в общем случае характеризуется набором фрактальных размерностей Цу(/?ч), а полный мультифрактальный анализ
записей флуктуаций фаз принимаемых сигналов позволяет определить мультистепенной и обобщенный мультифрактальный спектры ионосферных неоднородностей в довольно широком инерционном интервале масштабов от десятков метров до десятков километров по результатам зондирования ионосферной плазмы радиосигналами с борта орбитального ИСЗ.
19
• Показано, что в исследованиях неоднородной структуры ионосферной плазмы, равно как и при аналогичных исследованиях неоднородной структуры турбулентности в других природных средах, понятие сингулярной функции может вводиться лишь как некоторая математическая абстракция для упрощенного описания исследуемого мультифрактального процесса. В действительности же мы имеем дело с непрерывными гладкими, хотя и нестационарными случайными (турбулентными) процессами. При статистической фрактальной обработке принимаемых сигналов выявляется истинная мультифрактальная структура исследуемых нестационарных случайных процессов в пределах соответствующих инерционных интервалов этих турбулентных структур. Проанализированы некоторые особенности применения вейвлет-преобразования как локальной сингулярной меры при анализе сложных сигналов.
• Установлено, что неоднородное пространственное распределение мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации ионосферной плазмы определяет нестационарное поведение структурных функций быстрых амплитудных флуктуаций принимаемых от орбитальных ИСЗ сигналов, что непосредственно выражается в специфическом скейлинге этих функций и, соответственно, в мультифрактальных спектрах самих сигналов.
• Установлено, что в условиях развитой ионосферной турбулентности мультифрактальная структура перемежаемости флуктуаций энергии принимаемых сигналов с бортов орбитальных ИСЗ сигналов, в конечном счете, обусловлена пространственной неоднородностью дисперсии интегральных флуктуаций электронной концентрации, формируемых мелкомасштабными ионосферными неоднородностями на сравнительно больших пространственных масштабах порядка нескольких десятков километров. При этом полученные сведения о форме мультифрактальных спектров флуктуации энергии принимаемых сигналов оказываются справедливыми на всем множестве многомерных структурных функций с произвольными показателями порядка (д > 0,<7 < 0).
20
Применение различных алгоритмов расчетов фрактальных спектров флуктуаций энергии принимаемых сигналов со скользящим усреднением амплитудных флуктуаций на локальных временных интервалах и при обработке с дискретными значениями локальных средних для мощности флуктуаций приводят к заметно различным мультифрактальным спектрам перемежаемости амплитудных флуктуаций принимаемых сигналов. Последнее обстоятельство следует учитывать при построении различных физических моделей мультифрактальных спектров перемежаемости развитой ионосферной турбулентности.
• Обнаружены существенные различия в поведении показателей мультистепенных спектров неоднородностей и соответствующих обобщенных мультифрактальных спектров ионосферной турбулентности как для разных облаков электронной концентрации ионосферной плазмы с размерами ~ (200-250) км, так и внутри отдельных облаков для локальной неоднородной структуры с размерами ~ (12-15) км. Результат получен при зондировании среднеширотной ионосферы в сеансах связи с орбитальными спутниками 23.08.2005 г. и 29.03.2006 г. при исследованиях неоднородной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с применением метода многомерных структурных функций при анализе флуктуаций амплитуды сигналов. Это принципиально новый результат в исследованиях неоднородной структуры ионосферной турбулентности.
• Обнаружено, что во время солнечного затмения 01.08.2008 г., измеренные на разных радиотрассах мультистепенные и обобщенные мультифрактальные спектры мелкомасштабной ионосферной турбулентности в двух сеансах наблюдений на начальной и завершающей стадиях затмения оказались практически идентичными, что может свидетельствовать о довольно большой стабильности неоднородного пространственно-временного распределения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в ионосфере.
21
• Установлено, что в отличие от турбулентности естественного происхождения, мул ьти фрактальные характеристики анизотропной искусственной турбулентности, образующейся при воздействии на среднеширотную ионосферу мощным коротковолновым радиоизлучением, свидетельствуют в пользу представления о ней как о довольно упорядоченной неоднородной структуре со сравнительно узким мультистепенным спектром и небольшими вариациями обобщенного мультифрактального спектра электронной концентрации. При этом ширина Ар искомого локального спектра МИТ может быть использована для определения вида этой турбулентности (естественного или искусственного происхождения). Первые экспериментальные исследования МИГ показали, что ширина мультифрактальных спектров принимаемых сигналов от орбитальных ИСЗ составляет величину Ар = 0,3 в естественных условиях и Д/?-0,15 при модификации ионосферы мощным КВ радиоизлучением, что свидетельствует о довольно упорядоченной неоднородной структуре анизотропной МИИТ.
• Проведен фрактальный анализ сигнала от орбитального ИСЗ после дифракции его на ПИВ. Установлено, что детерминированный хаос в принимаемом сигнале является следствием нелинейного «разрушения» акустико-гравитационных волн в ионосфере Земли. Причем источниками хаотических пространственно-временных неоднородностей электронной концентрации ПИВ, которые и вызывают наблюдаемые слабые хаотические вариации принимаемого сигнала, являются всего лишь несколько (в условиях нашего эксперимента М = 4-5) квазисинусоидальных волн в структуре ПИВ с некратными собственными частотами и степенным (с показателем р- 2) пространственным спектром. Обнаружено, что фрактальная структура
неоднородностей электронной концентрации ПИВ с размерами / — (1 — 10) км
имеет особенности. Рождающиеся при нелинейном «разрушении» АГВ в ионосфере такие неоднородности электронной концентрации неравномерно
22
распределяются в пространстве. В данном случае перемежаемость проявляется в форме пространственной неоднородности ионосферной турбулентности.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Результаты теоретических исследований мультифрактальной
структуры развитой среднеширотной ионосферной турбулентности, когда
основным способом получения данных об этой структуре является метод дистанционного радиозондирования ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ.
2. Результаты исследования мелкомасштабной среднеширотной
ионосферной турбулентности с использованием метода многомерных структурных функций в условиях реальной нестациоиарности процесса рассеяния высокочастотных радиоволн в случайно-неоднородной плазме, показавшие возможность определения мультистепенных и мультифрактальных спектров МИТ.
3. Результаты исследования мелкомасштабной среднеширотной
ионосферной турбулентности, позволившие получить первые данные о структуре мультистепенных локальных спектров МИТ в естественных условиях.
4. Результаты первых исследований мультифрактальной структуры мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ при модификации среднеширотной ионосферы мощным КВ радиоизлучением нагревного стенда СУРА, в том числе, когда сигнал ИСЗ проходил область магнитного зенита.
5. Результаты исследования мелкомасштабных плазменных неоднородностей перемещающихся ионосферных возмущений с применением мультифрактального анализа и фрактальной обработки принимаемых радиосигналов методом корреляционного интеграла.
23
6. Результаты исследования крупномасштабных (с размерами в десятки километров) неоднородностей электронной концентрации ПИВ методом радиопросвечивания среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ с применением мультифрактальной обработки экспериментальных данных.
Научная и практическая значимость результатов диссертационной работы связана с выявление фрактальных свойств плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы, что дает основу для более глубокого понимания процессов развития и релаксации ионосферных неоднородностей, позволяет идентифицировать их характер (техногенного или естественного) происхождения и определять параметры ионосферной турбулентности в условиях явной нестационарности и относительной локальности. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы как основа для проведения развернутых исследований фрактальной структуры ионосферной плазмы, получения новых данных о свойствах плазменных неоднородностей в экваториальной и приполярной областях ионосферы Земли в рамках комплексной международной программы соответствующих работ.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы при разработке диагностических средств для проведения ионосферных исследований, при разработке радиотехнических систем связи КВ и УКВ диапазонов, радиолокации и спутниковой навигации, при расчетах параметров ионосферных каналов связи в условиях средних широт, при проведении радиоастрономических наблюдений с поверхности Земли.
Тема диссертационной работы находится в сфере традиционных интересов ФГБНУ НИРФИ в области исследований неоднородной структуры ионосферной и космической плазмы. Часть результатов была получена при выполнении ряда КИР. Большая часть исследований была выполнена при
24
финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ № 95-02-03716, 96-02-18632, 96-02-18659, 99-02-16052, 00-02-17372, 01-02-16680, 03-02-17303, 06-02-16034 и 09-02-97026р_поволжье_а) и Министерства промышленности и инноваций Нижегородской области (проект № 11-02-97012 рповолжьеа).
Личный вклад автора. Большая часть работ по теме диссертации написаны в соавторстве с В. А. Алимовым и A.B. Рахлиным. При этом в самом начале работ по фрактальной структуре ионосферной турбулентности автор принимал участие в экспериментальных исследованиях по этой теме: осуществлял измерения, на основе лично разработанных алгоритмов проводил компьютерную обработку и анализ полученных экспериментальных данных, обсуждал результаты и готовил публикации. В дальнейшем, наряду с активным участием в экспериментах, автор стал участвовать и в теоретических исследованиях фрактальной структуры плазменной турбулентности. В частности, автор высказал идею о мультифрактальной структуре развитой ионосферной турбулентности и провел соответствующие теоретические расчеты мультистепенного спектра мелкомасштабной ионосферной турбулентности в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Автором была теоретически обоснована идея о новом наиболее перспективном фазовом методе дистанционного исследования мультифрактальной структуры ионосферной и космической плазмы, а также проанализированы некоторые особенности изучения мультифрактальной структуры МИТ с использованием вейвлет-преобразования. Результаты этих теоретических исследований автора в сочетании с результатами первых экспериментов, фактически сформировали новое научное направление в исследованиях неоднородной структуры электронной концентрации верхней ионосферы - изучении фрактальной структуры ионосферной турбулентности.
Из работ, написанных по теме диссертации в других авторских коллективах, в диссертацию включены только те результаты, в которые
25
вклад автора был определяющим. Во всех других случаях используемые в диссертации результаты приводятся с соответствующими ссылками на их авторов и публикации.
Автор начинал работу под руководством д. ф.-м. п., профессора Ерухимова Л. М., который поставил общую задачу научных исследований неоднородной структуры электронной концентрации верхней среднеширотной ионосферы. Автор глубоко благодарен ведущему научному сотруднику ФГБНУ НИРФИ Алимову В. А. за постоянное внимание, требовательность и помощь в работе при подготовке диссертации. Автор очень благодарен зав. сектором ФГБНУ НИРФИ Рахлину А. В. за внимание и помощь в работе, сотрудникам ФГБНУ НИРФИ Мясникову Е. Н. и Фролову В. Л., с которыми совместно в разное время были получены отдельные экспериментальные результаты, вошедшие в диссертационную работу. Большую помощь в подготовке аппаратуры для проведения экспериментов оказал Калашников А. Я.
Достоверность результатов диссертации обусловлена использованием современных методов фрактального анализа и дискретной математики и подтверждается сопоставлением результатов теоретических исследований с результатами экспериментальных исследований в условиях среднеширотной ионосферы, совпадением полученных результатов в ходе фрактальнокорреляционного анализа с результатами классического метода радиомерцаний для случая равномерного распределения мелкомасштабных ионосферных неоднородностей в пространстве.
Апробация результатов: Диссертация выполнена в федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» (ФГБНУ НИРФИ). Всего по теме диссертации опубликовано 29 статей в отечественных реферируемых научных журналах, более 40 публикаций содержится в научных сборниках, трудах и тезисах всероссийских (всесоюзных) и международных конференций, препринтах ФГБНУ НИРФИ и научно-технических сборниках.
26
Основные результаты докладывались на Суздальских симпозиумах 111181 по модификации ионосферы мощным излучением (Суздаль, 1991 г.; Москва, 1998 г., 2007 г.), XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 1996 г.), XIX Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Казань, 1999 г.), XX
Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Нижний Новгород, 2002 г.), XXII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Ростов-на-Дону - п. Лоо, 2008 г.), VII Симпозиуме по Солнечно-Земной физике России и стран СНГ (Москва, 1998 г.), Третьей Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (экологическая физика)» (Москва, 2001 г.), Всероссийской
конференции по физике солнечно-земных связей (Иркутск, 2001 г.), IX международной конференции «Физика в системе современного образования» (ФССО-07) (Санкт-Петербург, 2007 г.), X международной конференции «Физика в системе современного образования» (ФССО-09) (Санкт-Петербург, 2009 г.), Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн - ИРЭМВ-2007” (Таганрог, 2007 г.), V Международной конференции «Солнечно-Земные связи и физика предвестников землетясений» (Паратунка, ИКИР ДВО РАН, 2010 г.), XXV Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред» (Санкт-Петербург, 2007 г.), XXVI Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред» (Санкт-Петербург, 2009 г.), Седьмой Всероссийской Открытой конференции «Современыс проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды и потенциально опасных явлений» (Москва, РЖИ РАН, 2009 г.), Восьмой Всероссийской Открытой конференции «Современые проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды и потенциально опасных явлений» (Москва, ИКИ РАН, 2010 г.), Региональной V конференции по
27
распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 1999 г.), Региональной XI конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2005 г.), Региональной XII конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2006 г.), Региональной XIII конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2007 г.), Региональной XIV конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2008 г.), Региональной XV конференции по распространению радиоволн. (Санкт-Петербург, 2009 г.), Восьмой научной конференции по радиофизике, посвященной 80-тилетию со дня рождения Б.Н. Гершмана (Нижний Новгород, 2004 г.), Четырнадцатой научной конференции по радиофизике (Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 2010 г.), Четвертой межвузовской научно-технической конференции (Нижний Новгород, 1997 г.), на научных семинарах ФГБНУ НИРФИ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения, она содержит 327 страниц текста, включая 82 рисунка и список литературы из 239 наименований.
Содержание диссертации
Во Введении дана общая характеристика диссертационной работы, показана актуальность темы исследования, объясняется необходимость исследований мультифрактальных свойств ионосферных неоднородностей нестационарностыо исследуемых процессов, определяется значение полученных результатов для последующих фундаментальных исследований свойств неоднородной ионосферной плазмы. Подчеркивается практическая значимость полученных результатов для возможной дифференциации искусственных и естественных неоднородностей ^-области ионосферы. Приводятся возможные применения полученных результатов при проведении научных и прикладных работ. Кратко изложено основное содержание диссертационной работы.
28
В первой главе содержится обзор экспериментальных данных о неоднородной структуре среднеширотной ионосферы, полученных во второй половине XX века с использованием различных методов исследований, приведены основные модели спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности Р-слоя ионосферы, разработанные на основе этих данных. Приводятся результаты работ по модификации классического метода радиомерцаний, выполненных с участием автора в 90-х годах XX века. Рассматриваются особенности классического спектрально-корреляционного подхода в исследованиях ионосферной турбулентности и, как следствие, поставлены задачи диссертационной работы.
В разделе 1.1 содержатся сведения о результатах исследований неоднородной структуры верхней ионосферы (по результатам наземных наблюдений за сигналами ИСЗ в 50-х - 90-х годах XX века в естественных условиях и при модификации ионосферы мощным КВ излучением), в ходе которых был получен довольно большой фактический материал о плазменной структуре среднеширотной ионосферы. Отмечается, что некоторые вопросы (измерение спектральных характеристик плазменной турбулентности верхней ионосферы с помощью синхронных наблюдений за амплитудными и фазовыми флуктуациями сигналов орбитальных ИСЗ при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением; экспериментальное тестирование обобщенной модели спектра ионосферной турбулентности, учитывающей зависимость анизотропии мелкомасштабных неоднородностей верхней ионосферы вдоль направления магнитного поля Земли от поперечных размеров этих неоднородностей; исследование анизотропной структуры искусственной ионосферной турбулентности), касающиеся неоднородной структуры ионосферной плазмы и требовавшие проведения специальных экспериментов по радиозондированию среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ, были решены только в конце прошлого - начале этого веков с участием автора.
29
Приводятся сведения об экспериментальных нагревных стендах по модификации ионосферы и научных результатах, полученных при их работе в части, касающейся неоднородной структуры ионосферы разных широт. Приводятся результаты исследований искусственной неоднородной структуры ионосферы различными методами в их взаимосвязи. Отмечаются особенности наблюдений явлений радиомерцаний и Р-ьргеаб в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ излучением.
В разделе 1.2 рассмотрены основные модели спектров мелкомасштабной плазменной турбулентности верхней ионосферы, которые являлись, в той или иной степени, базовыми моделями среды распространения радиоволн при спектрально-корреляционном подходе в исследованиях ионосферной турбулентности в рамках классического метода радиомерцаний. Отмечается, что одной из первых была модель с гауссовской формой трехмерного спектра флуктуаций электронной концентрации, учитывающая анизотропию ионосферной турбулентности в плоскости, поперечной к направлению магнитного поля Земли, и степень вытянутости неоднородностей ионосферной плазмы вдоль силовых линий.
Для искусственной ионосферной турбулентности в 70-х годах была разработана модель анизотропного спектра, которая отражала более резкую степень анизотропии в отличие от гауссовской модели относительно направления геомагнитного поля. Л для высокоширотной модели в 90-х годах была предложена анизотропная форма спектра неоднородностей с различными спектральными индексами в продольном и поперечных направлениях относительно геомагнитного поля. Наряду с этими моделями рассмотрена модель спектра неоднородностей электронной концентрации для авроральных пэтчей, предложенная в 1996 году, которая учитывала мелко и крупномасштабные составляющие.
Отмечается, что обобщенная модель спектра ионосферной турбулентности 1997 года, которая приводится в этой части диссертации, может использоваться для интерпретации результатов измерений как в
30
условиях высоких, так и средних широт. Результаты экспериментальной проверки обобщенной модели спектра ионосферной турбулентности обсуждаются в разделе 2.4 данной диссертации.
Рассматриваются достоинства и ограничения спектральнокорреляционного подхода в исследованиях ионосферной турбулентности. Строгий математический фундамент - корреляционная теория случайных процессов - своими вторыми моментами распределения вероятности точно описывает только гауссовы процессы на интервале их стационарности. Применение и интерпретация статистических моментов более высокого порядка оказывается достаточно сложным.
Отмечаются достоинства фрактального подхода, интенсивно применяющегося в исследованиях гидродинамической турбулентности, позволяющего продвинуться в понимании физических процессов, ответственных за ионосферную турбулентность.
Во второй главе диссертации представлены результаты специальных экспериментальных исследований плазменной структуры среднеширотной ионосферы с помощью радиозондирования ее сигналами орбитальных ИСЗ. Приводятся данные о наземном аппаратурном комплексе, который состоит из радиоприемной аппаратуры, ионосферной станции и нагревного стенда СУРА (в экспериментах 70-х годов использовался нахревный стенд «Ястреб», характеристики которого приводятся). Обсуждаются особенности проведения измерений с помощью этого аппаратурного комплекса. Приводятся результаты спектральной и мультифрактальной обработки принимаемых на Земле сигналов ИСЗ в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ излучением.
В разделе 2.1 приводятся данные о радиоизмерительном комплексе ФГБНУ НИРФИ для диагностики ионосферной турбулентности с помощью наземного приема сигналов орбитальных ИСЗ, ионосферных станциях «Сойка» и «Базис» и нагревных стендах СУРА и «Ястреб». Отмечается, что проведению измерений предшествует процедура вычислений