Условные обозначения
СДВ — сверхдлинные волны (ЗкГц — 30 кГц).
ОНЧ (VLF) — очень низкие частоты (300Гц — ЗкГц). СНЧ (ELF) — сверхнизкие частоты (30 Гц — 300 Гц). КНЧ (ULF) — крайне низкие частоты (< 30 Гц).
СКЧ — сигналы комбинационных частот.
Sq — среднеширотная ионосферная токовая система. Sp — полярная ионосферная токовая система.
Ер — характерное плазменное поле [40].
2
Введение
Диссертация посвящена экспериментальному и численному исследованию амплитудных, поляризационных и диаграммных свойств излучения искусственных движущихся возмущений нижней ионосферы, создаваемых мощным сканирующим радиолучом КВ диапазона — ” радиозайчиком”. Движущаяся интерференционная картина формируется излучением двух независимых антенных секций стенда ”Сура”(НИГФИ). Измерения и численное моделирование произведены для диапазона скоростей движения ”радиозайчика” на. высоте ~ 70 км от 0.15 до 1.5 скорости света в вакууме.
Излучение радиозайчика. было обнаружено в ходе экспериментов по исследованию нелинейных свойств нижней ионосферы. Главной особенностью возбуждаемого излучения является то, что за счет нелинейности частота и угол под которым комбинационная волна уходит из области взаимодействия КВ излучения с нижней ионосферой не равны частоте и углу падения исходных радиоволн. Экспериментальные и численные исследования привели к созданию нового оригинального метода диагностики нижней ионосферы.
Актуальность проблемы. В 1980г. в Государственный реестр открытий был занесен новый эффект под номером 23]. Эффект получил имя Гетманцева как один из наиболее интересных и важных результатов, полученных в целом ряде экспериментов по исследованию нелинейных свойств ионосферы, об-
3
наруженных при облучении ее мощным модулированным КВ радиоизлучением при неподвижной диаграмме направленности. Дальнейшим развитием этих исследований стало обнаружение излучения нижней ионосферы при облучении ее смодулированным КВ радиоизлучением, но с быстро вращающейся диаграммой направленности - ” радиозайчиком”.
Несмотря на то, что нелинейные явления в ионосфере известны со времен обнаружения в 1933 г. явления кроссмодуляции или люксембург-горьковского эффекта [58],необходимость исследования и учета этих явлений связана как с увеличением мощности излучения в различных радиопередающих установках,в том числе и исследовательских, так и с возможностью разработки различных методов исследования и мониторинга процессов,происходящих в одной из наиболее труднодоступных для дистанционного зондирования областей ионосферы - О-слое.
В результате возникло и интенсивно развивается новое научное направление физики околоземного космического пространства, основанное на эффектах нелинейного взаимодействия мощных радиоволн КВ диапазона, а также волн других типов в ионосфере и магнитосфере Земли.
Исследуемый в диссертации круг вопросов является частью интенсивно проводимых в России, США и Европе экспериментальных работ по изучению нелинейных свойств нижней ионосферы. В диссертации всесторонне проанализированы проведенные автором экспериментальные исследования амплитудных, диаграммных и поляризационных свойств обнаруженного низ-
4
кочастотного излучения от движущегося радиозаичика в диапазоне скоростей движения от 0.15 до 1.5 скорости света в вакууме. Это позволило разработать новый метод диагностики Э-слоя ионосферы на основе низкочастотных эффектов излучения и отражения от движущегося коротковолнового радиозайчика.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и численное исследование параметров низкочастотных эффектов Вавилова- Черенкова и Доплера от сверхсветового радиозайчика, сформированного в нижней ионосфере сканирующим лучом коротковолнового стенда ”Сура” путем измерения диаграммных и поляризационных свойств сигналов, возбуждаемых как самим радиозайчиком, так и отраженных от него.
Исследование проводится на основе анализа данных измерений характеристик принимаемых сигналов и сопоставления с другими известными методами исследования и моделями нижней ионосферы.
Научная новизна работы работы заключается в следующем. Впервые экспериментально обнаружено излучение на комбинационных частотах от искусственных крупномасштабных неоднородностей, создаваемых в нижней ионосфере за счет нелинейных эффектов и движущихся вдоль нижней границы со скоростью больше скорости света в вакууме.
Преимуществом перехода к исследованию излучения от движущихся неоднородностей является направленность этого излучения и большая эффективность возбуждения волновода Земля-ионосфера.
5
1 Обзор теоретических и экспериментальных результатов по эффекту генерации Сигналов Комбинационных Частот неподвижным осциллятором (Эффект Гетманцева)
1.1 Основные физические предпосылки
Согласно исходным представлениям, первоначально предполагалось [35, 36], что если ионосфера облучается электромагнитным сигналом, спектр которого состоит из двух частот и а;2, то из-за нелинейности плазмы должны появиться сигналы на комбинационных частотах (СКЧ). При этом из-за тепловой (кубичной) нелинейности плазмы ожидалось обнаружить обусловленные изменением частоты соударений, сигналы на комбинационных частотах и 1 ± 2и>2- Отметим, что хотя в спектре исходного сигнала содержится только две частоты, тем не менее, количество исходных волн (квантов), участвующих в процессе нелинейного возбуждения волны на комбинационной частоте, равно трем.
Возможность появления “боковых” волн на частотах ш\ ± а>2 первоначально связывалась с нелинейностью квадратичного типа, когда в результате воздействия возмущается электронная концентрация. Однако амплитуда “боковых” волн для ионосферных условий оценивалась в 10-100 раз меньше амплитуды волны на частоте ± о;2.
Тем не менее, интерес к сигналам в КНЧ диапазоне был настолько велик, что первые эксперименты были проведены с це-
6
лью обнаружения сигналов на. частотах и>\ — си2. Как отмечено в обзоре [13], ‘Действительность превзошла все ожидания...”. Сигнал на разностной частоте її = 0*1,2 в диапазо-
не КНЧ и СНЧ волн оказался намного выше, чем это следовало из предварительных оценок по формулам 39.30-39.38 из [36]. Один из первых примеров регистрации обнаруженного сигнала на комбинационной частоте 2,5 кГц приведен на рис. 1.1.1. Эта необработанная запись дает представление об отношении сигнала к шуму в полосе 0,25 Гц. Напряженность магнитного поля в точке приема составляла величину порядка 10 10 А/м.
В ходе дальнейших экспериментальных и теоретических исследований [47, 21, 30, 22] было показано, что механизм генерации наблюдаемых СКЧ в КНЧ диапазоне основан на кубичной нелинейности плазмы и непосредственно связан с квазистационар-ными ионосферными токами 7о, постоянно присутствующими на высотах динамо-области в ионосфере (її = 70—130км). Источником этих токов являются ветры в средних и низких широтах (так называемые "Бсртоки" [6, 79] и электрические поля маг-нитосферного происхождения в высоких широтах. Под воздействием нагревного КВ передатчика возникает модуляция ионосферной проводимости на. разностной частоте и, как следствие, ток ^’о, который и является источником СКЧ в волноводе Земля-ионосфера. Эта идея была выдвинута в работах [28, 47, 102] и получила блестящее подтверждение в 1976 г. на специально созданном для такого рода задач нагревном стенде в полярных широтах [46]. В этих экспериментах наблюдалась прямая связь ам-
7
Февраль, 1974 г.; Р = 2.5 КГц
Рис. 1.1.1 Пример регистрации сигнала комбинационной частоты.
- Київ+380960830922