2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................4
Глава 1. ВЛИЯНИЕ СРЕДНЕМАСШТАБНОЙ НЕРЕГУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ ИОНОСФЕРЫ НА СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛОВ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ Л9
1 Л. Обзор экспериментальных данных о параметрах
среднемасштабной нерегулярной структуры ионосферы......20
1ЛЛ. Волновые возмушения ионосферы.........................20
1Л.2. Хаотические неоднородности ионизации.................24
1.2. Основные формулы и приближения, используемые при
амплитудно-траекторных расчетах........................25
1.2.1. Пространственно-временная модель среднемасштабных неоднородностей ионосферы..............................26
1.2.2. Методика траекторно-амплитудных расчетов............27
1.3. Численное моделирование развития эффекта многолучевости. ...31
1.4. Характеристики суммарного поля многолучевого сигнала..35
1.4.1. Средняя амплитуда зондирующего сигнала при наличии в ионосфере срсднсмасштабных неоднородностей электронной концентрации...........................................38
1.4.2. Использование высших моментов амплитуды для характеристики отраженных сигналов.....................43
1.5. Возможная роль среднемасштабных неоднородностей при мощном ВЧ нагреве ионосферы............................52
1.6. Экологический аспект явления многолучевости...........59
1.7. Основные результаты и выводы..........................65
Глава 2. ИСКАЖЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ЗОНДИРУЮЩИХ РАДИОСИГНАЛОВ ПРИ НАЛИЧИИ СРЕДНЕМАСШТАБНЫХ ИОНОСФЕРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ........................67
2.1. Поляризация в условиях интерференции двух волн........69
2.2. Учет отражения от подстилающей поверхности............72
-3-
2.3. Расчет суммарного поля многолучевого сигнала...............76
2.4. Численное моделирование экспериментов по измерению поляризации при отражении от ионосферы
с пространственно-распрсдслснными среднемасштабными неоднородностями......................................77
2.4.1. Статистическая модель поляризации сигналов вертикального зондирования..............................................78
2.4.2. Сопоставление результатов модельных расчетов с экспериментальными данными, полученными в различных широтных регионах.........................................81
2.5. Представление о среднемасштабной структуре ионосферы как о статистическом поляризаторе и вытекающие из него диагностические возможности...............................89
2.6. Основные результаты и выводы...............................93
]
Глава 3. ЭФФЕКТ АНОМАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ОБЫКНОВЕННЫХ ВОЛН В РЕЗОНАНСНОМ СЛОЕ ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ СО СТЕПЕННЫМ СПЕКТРОМ МЕЛКОМАСШТАБНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ...............................95
3.1. Модель пространственного спектра мелкомасштабных неоднородностей ионосферы.................................96
3.2. Методы расчета величины аномального поглощения. 101
3.2.1. Определение тензора эффективной диэлектрической проницаемости случайно-неднородной плазмы................104
3.2.2. Сечение трансформации обыкновенных волн в плазменные ....106
3.3. Результаты численного моделирования эффекта кросс-модового рассеяния обыкновенных волн...............113
3.4. Основные результаты и выводы..............................122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................124
ЛИТЕРАТУРА............................................ :... 126
ВВЕДЕНИЕ
Развитие методов дистанционного зондирования случайно-неоднородной структуры ионосферы является одной из наиболее актуальных радиофизических проблем, имеющей большое научное и практическое значение.
Существование нерегулярной структуры ионосферы является общепризнанным фактом [1-6). Его значение определяется геофизическим и радиофизическим аспектами. Наличие неоднородностей обусловлено разнообразными процессами и явлениями, происходящих™ в плазменной оболочке Земли: распространением гидродинамических и электромагнитных волн, взаимодействием нейтральной и заряженных компонент атмосферы, развитие неустойчивостей и турбулентностей (2,7,8). Также они могут являться следствием различных гелиогсофизических явлений: землетрясений, извержений вулканов, гроз, солнечных затмений и др. [9). Информацию о возмущениях электронной концентрации ионосферы дают, помимо прямых измерений параметров среды со спутников и геофизических ракет, методы дистанционного радиозондирования.
Известны многочисленные радиофизические эффекты, связанные с нерегулярной структурой ионосферы. Это, например, различные виды рассеяния, многолучевость, замирание радиоволн, /'-рассеяние, вариации интенсивности принимаемых сигналов. По-видимому, присутствует и экологический аспект существования возмущений электронной концентрации ионосферы. В последнее время биофизиками обнаружен ряд примеров сильного отклика живых организмов на слабые внешние воздействия [10). Возможно, какой-либо из механизмов таких воздействий является следствием взаимодействия фонового радиоизлучения с ионосферными неоднородностями.
-5-
Согласно имеющимся экспериментальным данным случайные неоднородности наблюдаются в диапазоне высот от 50 до 1000 км [2) и имеют характерные масштабы от нескольких метров до сотен километров [6,11]. В дальнейшем нас будут интересовать неоднородности с размерами не более 100 км, находящиеся на высотах слоев Е и Р ионосферы (примерно 80-300 км). На распределение электронной концентрации в этих случаях оказывают влияние локальные процессы, носящие случайный характер. К таким процессам относятся атмосферная турбулентность, плазменная неустойчивость, динамическое влияние нижележащих слоев атмосферы, акустико-гравитационные волны и т.п.
Введем классификацию ионосферных неоднородностей по масштабам. Мы будем основывать ее на различии основных механизмов взаимодействия неоднородностей разных масштабов с радиоволнами дека-метрового диапазона. Для мелкомасштабных (менее 5-10 км) неоднородностей основным механизмом воздействия является рассеяние радиоволн. Граничный масштаб 5-10 км соответствует размеру первой зоны Френеля. Неоднородности с масштабами 10-100 км будем называть среднемасштабными. Они приводят к многолучевости сигналов вертикального зондирования и связанным с ней эффектам. Более крупномасштабные неоднородности, как правило, не искажают лучевую структуру сигнала, но, как и среднемасштабные, порождают фокусировку-дефокусировку и плавное изменение углов прихода. Граница между среднемасштабными и крупномасштабными неоднородностями может колебаться в интервале 100-200 км. Основное внимание в настоящей работе будет уделено мелкомасштабной и среднемасштабной нерегулярной структуре. Рассмотрим их свойства подробнее.
Сначала рассмотрим мелкомасштабную часть. Неоднородности принято характеризовать уровнем среднего относительного возмущения
электронной концентрации в масштабе Я: 5Лгл = ^(лАу#)2^. Для среднеширотной ионосферы характерная величина ЬNR в масштабе Я * 1 км
-6
А
в спокойных дневных условиях лежит в интервале (1 -г 3) • 10" [5]. В экваториальной и полярной областях уровень возмущений может быть значительно выше. На основе многочисленных экспериментальных данных считается, что мелкомасштабные неоднородности в широком интервале масштабов хорошо описывается моделью степенного спектра следующего вида (5,6):
3 -М/2 ' 3
/(к)« ехр - Кк;/<)
. >*
где к — волновой вектор неоднородностей, к0/ = 2т://0/, ки; = 2л//^ ,
!о;>1пу ~ соответственно внешние и внутренние масштабы спектра. На
высотах Р-слоя ионосферы неоднородности сильно вытянуты вдоль силовых линий геомагнитного поля и в инерционном интервале к0_ « кх « кт1 их можно описать следующим спектром [7,12]:
Р(к) ос (1 + кЦкЪ) м/2б(к|;) , где к1 и К| - ортогональная и параллельная силовым линиям геомагнитного поля составляющие вектора к.
Особое место в физике ионосферы занимают искусственные неоднородности, возбуждаемые при активных экспериментах с околоземной плазмой (нагрев мошной электромагнитной волной, инжекция тяжелых ионов). Они характеризуются высокой амплитудой (бЛгл ~ 10"2 в масштабе 50 м) и анизотропным степенным спектром сложной формы [13,14].
Современное состояние исследований среднемасштабных возмущений в ионосфере характеризуется отсутствием общепризнанной модели их глобального распределения. В общем случае среднемасштабные неоднородности подразделяются на два основных типа: волновые возмущения (ВВ) [15-18] и хаотические возмущения ионизации [19]. Эксперименты показывают, что такие неоднородности присутствуют в ионосфере практически постоянно. Из экспериментальных работ вытекает, что распределение электронной концентрации в ионосфере с учетом
7
Г
срелнемасигтабных неоднородностей можно представить в виде ([20]):
Лг(г)= Аг0Ци^|,
где Аго(г) — регулярное распределение электронной концентрации, дА/А — возмущение, обусловленное неоднородностями средних масштабов. Для ВВ хорошо подходит модель в виде суммы двух плоских волн (учитывая, что обычно наблюдается два пика в спектре В В одновременно):
пгг = £ 5/(*)С0$[Кн*<1 - Кіі - + Фн* ] » (2)
где 5,(?) — амплитуда; кну- — горизонтальный волновой вектор
К„т1 = —
2я 2п
і 2л
; = — — вертикальная компонента волнового вектора;
*■1
= — — частота и ф*,— начальная фаза каждой гармонию! ВВ. В
Ъ
хаотических неоднородностях ионизации обычно также можно выделить доминирующую гармонику, поэтому в большинстве случаев аналогичная модель применима и для них.
Согласно экспериментальным данным, основные параметры, входящие в (2), находятся в пределах: 50 км < Л, < 100 км; 40 км < X, < 80
|* - 2001
км; 0,03< 6, < 0,1; 0,011е < 62 < 0,02/,, где 1е = ехр
100
Диссертация, в основном, посвящена изучению эффекта многолучевости и вытекающих из него явлений в отраженном от ионосферы сигнале, связанных с присутствием среднемасштабных возмущений, и эффекта аномального ослабления обыкновенных радиоволн декаметрового диапазона в ионосфере, вызванного явлением кросс-модового рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях.
Особенность распространения радиоволн в присутствии среднемасштабных неоднородностей заключается в нарушении лучевой структуры сигнала. Уже при сравнительно невысоком уровне возмущений
8-
электронной концентрации (менее 1%) имеет место явление многолучевости. Реально даже в условиях спокойной ионосферы их уровень выше. Отраженный от ионосферы сигнал является результатом интерференции нескольких волновых полей, приходящих в точку наблюдения под разными углами и с независимыми собственными фазами. В результате параметры суммарного сигнала не совпадают с предсказанными магнито-иониой теорией для невозмушенной ионосферы. К ним относятся энергетические, поляризационные характеристики, размытость формы импульса и другие.
При исследовании энергетических характеристик сигнала вертикального зондирования большое внимание уделяется изучению статистического распределения интенсивности. Из обработки экспериментальных наблюдений такое распределение получается, как правило, сложной формы, с несколькими максимумами и минимумами. Это связано с многообразием реальных ионосферных условий и чувствительностью интенсивности сигнала к различным характеристикам околоземной плазмы (профиль электронной концентрации Лг(г), частота столкновений электронов у(г), эффект многократного рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях, взаимодействие со средне- и крупномасштабными возмущениями ионосферы).
Разработано немало теоретических моделей этого статистического распределения. К ним относятся распределения Накатами-Райса, логнормальное, ц -модель, Л-распределение и др. [21]. Однако все они описывают лишь часть экспериментальных результатов, что связано с указанными выше причинами. В связи с этим представляет интерес изучение высших статистических моментов распределения интенсивности [22-27]. Это, прежде всего, второй центральный момент (его еще называют
"индексом мерцаний") £2 = \(1 -/{I) и третий момент, "коэффициент асимметрии" 532 = ((/ - {1$\ /{(/ -(1)У) • В экспериментальных
-9
работах, посвященных этому вопросу (22,23], было найдено, что обе величины, определенные для сигнала, отраженного от Е- и Е-слоев ионосферы, часто значительно превышают 1. Согласно стандартной теории фазового экрана [26,28], большие значения индексов 52 и £32 соответствуют условиям фокусировки. Однако теоретически механизм возникновения этого явления и его связь с ионосферными неоднородностями ранее не рассматривались.
Отличие реально наблюдаемых характеристик отраженного сигнала вертикального зондирования от теоретических расчетов для невозму-шенной ионосферы ярко проявляется также в эффекте искажения поляризации, состоящем в следующем. Стандартная магнитоионная теория предсказывает для выходящей из ионосферного слоя волны эллиптическую поляризацию с вполне определенными параметрами [29,30]: эллипс поляризации должен быть ориентирован вдоль магнитного меридиана для обыкновенной волны, в поперечном направлении для необыкновенной, и иметь соотношение осей, которое зависит от магнитной широты и отношения частоты зондирования к электронной гирочастоте. Сильное отличие поляризации от круговой предсказывается только для низкоширотного региона. Эффекты формирования предельной поляризации на выходе из слоя не приводят к заметным ее искажениям [29,30]. Учет соударений приводит к симметричному повороту' осей эдтипсов относительно магнитного направления северо-восток - юго-запад, однако для высокочастотных волн (/>2 МГц) влияние соударений на поляризационные характеристики мало [31]. Однако результаты экспериментальных исследований поляризации [32-46] обнаруживают значительные отклонения от описанной картины. В частотном диапазоне, где нормальные моды разделены, наблюдаются эллипсы поляризации с меняющимся в широких пределах отношением осей и практически любой ориентацией. Оба параметра варьируют с течением времени, обнаруживая характерные черты случайного процесса. Наблюдаются флуктуации с квазипериодами в единицы секунд, единицы минут [32,34,38], а также суточные вариации
10-
[33,36]. Обычно распределения обоих параметров эллипса поляризации имеют хорошо выраженный максимум около неких средних значений, которые в ряде экспериментов были близки к предсказываемым магнитоионной теорией [38,40], а в других экспериментах существенным образом от них отличались. Отмечается, что флуктуации параметров эллипса поляризации усиливаются во время восхода и захода Солнца [32]. Многие свойства вариаций поляризации указывают на их связь с нерегулярными структурами ионосферы различных временных масштабов. В частности, наиболее короткопериодические флуктуации можно попытаться объяснить присутствием в отраженном сигнале компоненты, рассеянной на мелкомасштабных неоднородностях электронной концентрации [37,47]. Для реального уровня неоднородностей этот эффект оказывается малым, хотя и может иметь диагностическое значение. В работах [48,49] для описания воздействия случайных неоднородностей на поляризацию радиоволн использовалась методика, связанная с вычислением тензора эффективной диэлектрической проницаемости. В [50] на основе уравнения Эйнштейна-Фоккера-Планка исследовался перенос поляризации электромагнитных волн и были найдены усредненные параметры Стокса. Оба подхода позволяют описывать поляризацию среднего поля, которая в условиях ионосферы мало отличается от предельной поляризации волны в регулярной среде [48]. Таким образом, полученные ранее результаты не позволяют полностью объяснить наблюдаемые в эксперименте вариации поляризации отраженных от ионосферы радиоволн. Отметим, что вне рамок ранее проведенных исследований оказался вопрос о влиянии среднемасштабных неоднородностей и обусловленной ими многолучевости на поляризацию сигналов вертикального зондирования ионосферы.
В экспериментах по зондированию искусственных ионосферных неоднородностей, возбужденных нагревом полем мощной высокочастотной волны, было обнаружено аномальное (не объяснимое за счет столк-новительиых потерь) ослабление зондирующих радиоволн [51,52]. Такое
11-
жс ослабление наблюдается и при исследовании других радиосигналов, проходящих через ионосферу [53-551. Значительный вклад в это явление дает эффект многократного рассеяния радиоволн на мелкомасштабных неоднородностях порядка длины волны зондирующего сигнала и более [56,57]. Однако его недостаточно, чтобы объяснить более значительное ослабление волн обыкновенной поляризации по сравнению с необыкновенными волнами. Одним из его возможных механизмов является кросс-модовос рассеяние (трансформация) в медленные необыкновенные волны вблизи уровня отражения на случайных неоднородностях, размеры которых меньше длины волны зондирующего сигнала [58-601.
Теоретическое исследование этого механизма бесстолкновительных потерь проводилось различными методами: путем усреднения уравнения переноса для интенсивности радиоволны по быстрым осцилляциям электронной плотности в рамках динамической теории [611 либо в приближении случайных фаз [62,63], на основе обобщенного уравнения Пуассона для рассеянных волн [61,64], методами теории трехволнового взаимодействия [63}, использовалось кинетическое уравнение Больцмана для магнитоактивной плазмы [65], а также с помощью методики, основанной на вычислении тензора эффективной диэлектрической проницаемости случайно-неоднородной плазмы [66-68]. Последняя методика позволяет, в принципе, учитывать многократное рассеяние. Наряд)' с ней наиболее общим представляется подход, использующий в своей основе определение сечения трансформации обыкновенных волн в плазменные на базе общего метода расчета сечения рассеяния или трансформации волн в плазме [69]. Насколько известно, последовательное описание такой методики расчета величины аномального поглощения обыкновенных воли в литературе отсутствовало. Сечение трансформации использовалось для расчета величины аномального поглощения в работе [70], где оно было получено из решения уравнения переноса спектральной плотности энергии обыкновенной волны. Однако, в ней использовалось приближение холодной бесстолкновительной плазмы и квазилро-
12
дольного распространения, что ограничивает применимость полученных результатов. Почти во всех выполненных ранее работах расчеты проводились для модели гауссового спектра неоднородностей, что ограничивает применение полученных результатов для интерпретации экспериментальных данных. Исключение составляют [62,67,68], в которых для нахождения аномального ослабления радиоволн на естественных неоднородностях использован степенной спектр. Однако в этих работах расчеты проводились в достаточно грубых приближениях и не исследовалось поглощение на искусственных мелкомасштабных неоднородностях со степенным спектром.
Все вышесказанное позволяет сформулировать следующие основные цели настоящей диссертации:
1. Проанализировать условия возникновения многолучевости ра-диосигналов вертикального зондирования, обусловленной влиянием среднемасштабных неоднородностей ионосферы.
2. Исследовать статистику' вариаций энергетических характеристик радиоволн, связанную с их взаимодействием со среднемасштабными возмущениями электронной концентрации ионосферы.
3. Изучить интерференционный механизм поляризационных искажений сигналов вертикального зондирования на ионосферных неоднородностях с масштабами 10-100 км.
4. На основе подхода, использующего сечение кросс-модового рассеяния исследовать аномальное поглощение обыкновенных волн вследствие их трансформации в плазменные при рассеянии на мелкомасштабных неоднородностях электронной концентрации с реальным степенным спектром и учетом теплового движения электронов.
В диссертации получены следующие новые результаты:
1. Методом численного моделирования показано, что условия возникновения режима многолучевых отражений сигнала вертикального зондирования ионосферы выполняются очень легко. Достаточно уровня среднемасштабных неоднородностей менее 1%. Такой режим может рса-
- Київ+380960830922