Работа выполнена в Научно-исследовательском радиофизическом институте, г. Нижний Новгород
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук профессор В. Ю. Трахтенгерц;
доктор физико-математических наук профессор Ю. Н. Черкашин;
доктор физико-математических наук
ЗЙ9 “Х"^ Г Лапин;
! Ведущая организация:
Полярный геофизический институт КНЦ РАН, Г. Мурманск
Защита диссертации состоит 2000 г. в 13 час.
на заседании диссертациот/?й^ Д 064.05.01 при
Научно-исследовательском институте
(603600, г. Нижний Новгор-:^ ' й Печерская, 25)
С диссертацией можно иотеке
Научно-исследовательского 5 го института
Диссертация в виде научтил^ дуула ьн разослана “_1® ” октября 2000 г.
РОССИЙСКАЯ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ
бШШФГЕКА
Ученый секретарь диссертационного совета
канд. физ.-мат. наук, с.н.с. [утлН. Виняйкин
Общая характеристика работы
Актуальность. Во второй половине 20-го столетия достигнут значительный прогресс в исследованиях высоких слоев атмосферы и ионосферы — областей, где газ, окружающий Землю, частично ионизирован. В этот период появились новые способы исследований; метод частичных отражений, МСТ-радары, метод некогерентного рассеяния, лазерное зондирование, развились радиотехнические и оптические методы, ракеты и космические аппараты позволили проводить измерения непосредственно в высоких слоях. Несмотря на значительный прогресс в исследованиях верхних слоев атмосферы и ионосферы проблема изучения и мониторинга высотной области 50-200 км остается актуальной. Это положение обусловлено тем, что на этих высотах не летают искусственные спутники Земли, а запуск ракет возможен только с оборудованных полигонов и стоит немалых денежных средств. МСТ-радары дают сведения только о движениях неоднородностей на высотах ниже 100 км, а некогерентное рассеяние, как правило, имеет низкое высотное и временное разрешение в силу низкого уровня сигнала. В последний десятилетия уделяется большое внимание, исследованию мезосферы (30-90 км), средней атмосферы (10-100 км) и области В (высоты 50-90 км), входящей в этот высотный интервал. Эта область атмосферы играет важную роль в работе радио-средств в традиционных диапазонах длинных средних и ко-рч і'тг.нх волн, а также во взаимодействии термосферы, подверженной всплескам солнечной активности, и тропосферы, прилегающей непосредственно к земле. В этой связи разработка новых высокоинформативных методов исследования г і жней ионосферы является актуальной и важной задачей. і іменно такую задачу ставил перед собой автор данной работы, посвященной разработке нового метода исследования
3
ионосферы с помощью искусственно созданных периодических неоднородностей ионосферной плазмы (ЙПН).
Цель работы. Изучение физических процессов создания искусственных периодических неоднородностей и разработка на этой основе способов и методов ДР1ГНОСТИКИ ионосферной плазмы, практическая реализация способов диагностики ионосферы и атмосферы с помощью ИПН.
Научная новизна.
1. Экспериментально обнаружено образование в поле мощной стоячей радиоволны искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы на различных высотах нижней ионосферы и изучены их характеристики.
2. Теоретически изучены физические процессы, приводящие к созданию ИПН на разных высотных уровнях. При этом оказалось, что на высотах области Е (90-130 км.) неоднородности создаются вследствие перераспределения пла-змьх под действием избыточного давления электронной компоненты, нагретой в пучностях стоячей радиоволны. В области V их образование обусловлено температурной зависимостью коэффициента прилипания электронов к молекулам кислорода, а в области ^ ИПН образуются под действием стрикционной силы.
3. Рассмотрено образование ИПН в 1)~рбяасти ионосферы „в рамках модели с одним и двумя отрицательными ионами. Показано, что создание неоднородностей обусловлено температурной зависимостью процесса прилипания электронов к молекулам кислорода при тройных соударениях, более медленные процессы преобразования первичного отрицательного иона С>2 в другие отрицательные ионы не оказывают существенного влияния на время образования и релаксации неоднородностей.
— На основе рассмотренных моделей объяснен высотный профиль времени релаксации и амплитуды сигнала, рассеян-
4
иого ИПН в области В. Установлено, что профили определяются высотной зависимостью скорости прилипания электронов к молекулам кислорода и скоростью отлипания. Резкое уменьшение амплитуды ИПН на высоте ~80 км обусловлено появлением атомного кислорода в атмосфере. Последний увеличивает скорость отлипания электронов от ионов О2 и фактически прекращает образование ИПН за счет прилипания электронов.
4. В приближении изотропной плазмы и малых возмущений получены выражения для амплитуды температурных периодических неоднородностей и неоднородностей электронной концентрации в области Е. Рассмотрено влияние вертикальных и турбулентных движений на амплитуду и фазу рассеянного сигнала. Выведены формулы для оценки интенсивности сигнала, рассеянного ИПН, на высотах О—, Е— и ^-областей ионосферы.
5. Проведены серии экспериментов по регистрации ИПН и определении их параметров на нагревных стендах НИРФИ в Зименках и Васильсурске, а также на стенде ’Тиссар” Института астрофизики Таджикской академии наук.
6. Разработан и опробован рад способов определения параметров ионосферной плазмы с помощью ИПН. В их числе:
— частотный способ определения электронной концентрации;
— фазовый способ определения электронной концентрации;
— способ определения скорости вертикального движения плазмы;
— способ определения величины турбулентных скоростей;
— способы определения температуры и плотности атмосферы на высотах области Е.
На ряд способов были получены авторские свидетельства.
Научное и практическое оначение работы. Научное значение работы определяется фактом наблюдения искусствен-
5
ных периодических неоднородностей ионосферной плазмы и разработкой физической картины образования неоднородностей на разных высотных уровнях. Практическая ценность состоит в создании нового семейства способов диагностики нижней ионосферы с помощью ИПН и тех результатов исследований, которые уже получены этими методами. Основные положения, выносимые на защиту.
1. Экспериментально обнаружено образование в поле мощной стоячей радиоволны искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы на всех высотах нижней ионосферы.
2. Разработан и опробован рад способов определения параметров ионосферной плазмы с помощью ИПН. В их числе:
— частотный способ определения электронной концентрации, позволяющий вести измерения в межслоевой Е — Е впадине;
— фаооый способ определения электронной концентрации;
— способ определения вертикальной скорости движения;
— способ определения величины турбулентных скоростей;
— способ определения температуры атмосферы на высотах области Е\
— способ определения плотности атмосферы на высотах области Е.
3. Изучены физические процессы, приводящие к созданию ИПН на разных высотных уровнях.
4. Рассмотрено образование ИПН в .О-области ионосферы в рамках модели с одним и двумя отрицательными ионами. Показано, что создание неоднородностей обусловлено температурной зависимостью процесса прилипания электронов к молекулам кислорода при тройных соударениях, процессы преобразования первичного отрицательного иона О^ в другие отрицательные ионы, как более медленные, не оказывают существенного влияния на время образования и релаксации
6
- Київ+380960830922