Прогнозирование ионосферного распространения радиоволн на основе решения прямой и обратной задач многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы

Список основных сокращений
АГВ - акустико-гравитационная волна
АС - антенная система
АЧХ - амплитудно-частотная характелистика
ВВ - волновое возмущение
ВЗ - вертикальное зондирование
ВО - возмущенная область
ВЧ - высокие частоты
дн - диаграмма направленности (антенны)
дчх - дистанционно-частотная характеристика
ИРИ - источник радиоизлучения
КВ - короткие волны
кнд - коэффициент направленного действия (антенны)
КС - канал связи
КУ - коэффициент усиления (антенны)
лчм - линейная частотная модуляция
мпч - максимально применимая частота
мнч - максимально наблюдаемая частота
нз - наклонное зондирование
ннч - наименьшая наблюдаемая частота
нпч - наименьшая применимая частота
пив - перемещающееся ионосферное возмущение
РКС - радиокоммуникационная система
РЛС - радиолокационная станция
РПДУ- радиопередающее устройство
УЧХ - угловая-частотная характеристика
2
6
35
35
42
42
46
55
57
59
63
68
86
90
93
102
102
108
117
118
119
125
126
СОДЕРЖАНИЕ
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН НА ОСНОВЕ РЕШЕНИЯ ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ ЗАДАЧ МНОГОЧАСТОТНОГО НАКЛОННОГО РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Синтез ионограмм НЗ и задача прогнозирования прохождения радиоволн в ионосфере
Общая постановка задачи многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы
Ионосферные модели в задаче распространения радиоволн в ионосфере Ионосферная модель СМИ-88 Ионосферная модель ПИ-2001 Спорадический слой Еэ
Особенности дифракционного спадания волнового поля в окрестности максимально-применимой частоты
Математическое моделирование
Экспериментальные исследования
Синтез ионограмм наклонного радиозондирования ионосферы
Оценка эффективности определения частотного интервала прохождения радиоволн на основе глобальной модели ионосферы
Долгосрочное прогнозирование
Краткосрочное (оперативное) прогнозирование
Анализ эффективности эмпирических ионосферных моделей в задаче оценки напряженности поля
Исследования на морской поверхности (дальнее распространение)
Исследования на УАС ’’Академик Вернадский” (сверхдальнее распространение)
О формировании комбинированных модов в ионосферном прохождении радиоволн
Экспериментальные исследования (ЛЧМ-зондирование)
Анализ экспериментальных данных
Заключение к гл. I
Синтез и анализ ионограмм НЗ и ВЗ в условиях локальной неоднородности ионосферы
3
2.1 Асимптотика лучевых уравнений в окрестности точки отражения 127
2.2 Модовая структура волнового поля в задаче радиозондирования ^
локализованных инжекционных неоднородностей в нижней ионосфере
2.2.1 Модовая структура волнового поля 131
2.2 2 Диагностика возмущения по следам сигналов обратного отражения 132
2.2.3 Диагностика возмущений по следам проходящих сигналов 136
2.3 Модовая структура поля при многочастотном наклонном
радиозондировании локализованных нагревных неоднородностей 141
верхней ионосферы
2.3.1 Математическое моделирование 141
2.3.2 Экспериментальные исследования 149
2.3.3 Анализ резонаторных модов 162
2.4 Интерпретация данных вертикального радиозондирования при воздействии на ионосферу мощного наклонного волнового пучка
2.4.1 Первый натурный эксперимент с мощным волновым пучком 174
2.4.2 Эксперимент 1991 г.(США) 176
2.4.3 Математическое моделирование дополнительных следов на 182
ионограммах ВЗ
2.5 Интерпретация одного вида перемещающегося возмущения по ионограммам вертикального радиозондирования ионосферы
2.5.1 Результаты наблюдений мощного ПИВ в учащенной съемке 190
2.5.2 Траекторный синтез и моделирование ионограмм ВЗ со следами ПИВ 193
2.5.3 Анализ последовательности ионограмм ВЗ со следами ПИВ 195
Заключение к гл. II 2оз
III Обратная задача многочастотного наклонного радиозондирования
ионосферы
3.1 Общая постановка обратной задачи НЗ - инверсии ионограммы в эффективный Л^с(/?) —профиль
3.2 О методике пересчета ионограммы наклонного зондирования в эффективную ионограмму вертикального зондирования ионосферы
3.3 Инверсия ионограмм НЗ в эффективный Ме(И) — профиль в
изотропном приближении в классе непрерывных и непрерывно- 212
дифференцируемых функций
3.3.1 Обратная задача НЗ в классе непрерывных функций 212
3.3.2 Обратная задача НЗ в классе функций с непрерывным высотным 218
градиентом
3.4 Особенность оценки электронной концентрации Е области в обратной 224 задаче НЗ ионосферы
4
3.4.1 Плоско-слоистое приближение 227
3.4.2 Сферичсски-слоистое приближение 229
3.5 Учет магнитоионного расщепления в обратной задаче многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы 233
3.6 Двумерная обратная задача НЗ - одноточечное приближение 240
3.7 Двумерная обратная задача НЗ - двухточечное приближение 247
3.8 О возможности оценки электронной концентрации в межслоевой области в обратной задаче наклонного зондирования ионосферы 255
3.8.1 Влияние замены профиля его монотонным эквивалентом на вертикальный угол прихода 255
3.8.2 Оценка электронной концентрации в межслоевой области 258
3.8.3 Анализ комплексных данных вертикального и наклонного зондирования ионосферы 260
Заключение к гл. III 268
IV Система прогнозирования прохождения радиоволн декаметрового диапазона в ионосфере Земли - “Прогноз-ИЗМИРАН” 270
4.1 Формирование общих данных программного комплекса прогнозирования “Прогноз-ИЗМИРАН” 272
4.1.1 Данные солнечной и геомагнитной активности 272
4.1.2 Данные вертикального радиозондирования ионосферы 276
4.2 Формирование частных данных программного комплекса прогнозирования “Прогноз-ИЗМИРАН” 281
4.2.1 Электромагнитный шум 281
4.2.2 Системы радиосвязи 284
4.2.3 Антенные системы 286
4.3 Долгосрочное и краткосрочное прогнозирование ионосферного прохождения радиоволн в системе “Прогноз-ИЗМИРАН” 289
4.3.1 Долгосрочное прогнозирование 289
4.3.2 Краткосрочное (оперативное) прогнозирование 293
4.3.3 Анализ данных работы реальных радиолиний 295
Заключение к гл. IV 304
Заключение 305
Приложения 308
Литература 311
5
ВВЕДЕНИЕ
История возникновения научного направления - ионосферного распространения радиоволн берет свое начало с 12 декабря 1901 г., когда впервые Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi) был проведен эксперимент передачи телеграфного сообщения, состоящего всего лишь из одной буквы “S”, между Англией и Ньюфаундлендом (Канада). В данном эксперименте использовался искровой передатчик мощностью примерно 10 кВт с системой формирования выходного сигнала, близкой к колебательному контуру (изобретен Николой Тесла в 1896 г.), и сложными, по тем временам, большеразмерными антеннами. Принципиальным отличием от предшествующих опытов по беспроводной передаче сигналов, на основе принципов, заложенных Герцем, одним из основоположников которых являлся и русский ученый А С.Попов, являлось расстояние между конечными пунктами, превышающее 3000 км. Другой отличительной чертой полученных результатов являлась явно выраженная нестабильность передачи сообщений - они успешно передавались только в ночных условиях, да и то не всегда. Эти свойства были подтверждены в экспериментах 1902 г. с приемным устройством, установленным на лайнере "Филадельфия" в трансатлантическом рейсе, в которых было показано, что в дневных условиях можно было принимать сообщения до расстояния ~ 1000 км, а в ночных до ~ 3000 км [Maslin, 1987].
Следствием эксперимента 1901 г. и попыток его объяснения на основе механизмов дифракции и распространения поверхностной волны привели к тому, что в 1902 г. Хевисайд (Англия) и Кеннелли (США) выдвинули гипотезу о существовании проводящего слоя в верхних слоях земной атмосферы. Этот слой должен бы обладать свойствами отражения радиоволн и, таким образом, преодолеть ограничения, связанные с кривизной Земли. Физические принципы возникновения и существования такого слоя в то время не были понятны - они были развиты позднее. Последующее развитие техники связи с длинными и короткими волнами все более подкрепляли данную гипотезу, но прямое доказательство существования отражающего слоя было получено только в 1925 г. в экспериментах Эпплтона и Барнета с магнитной кольцевой и вертикальной дипольной антеннами. Это были, по сути дела, первые эксперименты по
6
пеленгованию радиоволн и было показано, что волновой вектор приходящих сигналов имеет наклон к горизонту. Этот тип волн получил название небесных волн (sky waves) или в современной терминологии - ионосферные волны. Развитие техники импульсной радиолокации в применении к ионосфере (Эпплтона, Брайта и Тьюва [Villard, 1976]) привело, во-первых, к открытию слоистости ионизированной области атмосферы, названной ионосферой, и, во-вторых, к изобретению устройства, способного определять ее состояние - ионозонда. Результатом работы ионозонда на сканирующей рабочей частоте является монограмма - графическое изображение группового запаздывания и интенсивности отраженных сигналов от частоты. Впервые ионограмма в классическом виде, принятом и в настоящее время, была получена в мае 1933 г. [Villard, 1976]. В дальнейшем, прогресс в разработке электронных компонентов, внедрение микропроцессоров и цифровой обработки сигналов дали возможность на основе сложных сигналов создать ионозонды со значительно пониженным потенциалом излучающих средств. Так, использование фазо-кодоманипулированных (ФКМ) сигналов позволило снизить мощность передающего устройства с ~ 20 кВт в классическом импульсном зондировании до ~ 0,5 - 1 кВт, а применение ЛЧМ-сигнала дает возможность получить ионограмму на нескольких десятках ватт или даже нескольких ваттах непрерывного излучения.
Развитие сети ионозодов, в совокупности с математическими методами инверсии ионограмм в вертикальный профиль электронной концентрации (из множества методов инверсии данных ВХ в высотный профиль выделим два, которые в дальнейшем будут использоваться в данной работе, [Paul, 1977; Titheridge, 1988]), позволило собрать массив данных о состоянии ионосферы при различных уровнях солнечной активности, для различных сезонов и времени суток и построить на этой основе глобальные эмпирические (статистические) модели ионосферы. Первичной целью такого моделирования было описание пространственно-временного распределения электронной плотности, чтобы попытаться построить прогноз состояния ионосферы, а из него - прогноз распространения, прежде всего, декамстровых радиоволн. Для прогнозирования распространения радиоволн из одной точки пространства в другую используется специальный термин - ’’прохождение”, отражающий частотный диапазон существования способов переноса излучения (модов).
7
Начиная с середины 50-х годов, в практике ионосферных исследований широко используется метод наклонного зондирования (НЗ) ионосферы, при котором передающая и приемная часть зондирующей системы (в отличие от ВЗ) пространственно разнесены и расположены на концах трассы НЗ. На начальном этапе своего внедрения метод НЗ, в основном, использовался для обеспечения связи в декаметровом диапазоне длин волн (трассовое зондирование канала связи). Однако к концу 60-х годов появляются работы, посвященные использованию метода НЗ для целей дистанционной диагностики ионосферы, в которых была поставлена задача о восстановлении эффективного (с оценкой наиболее вероятного места его локализации) (Л)-профиля ионосферы по таким экспериментально регистрируемым параметрам как ионограмма НЗ, т.е. зависимость группового запаздывания /*'(/) от частоты / зондирующих сигналов (дистанционночастотная характеристика ионосферы).
Среди достаточно широкого набора современных средств и методов исследования верхней ионизированной части атмосферы Земли метод многочастотного наклонного радиозондирования имеет в своем потенциале возможность решения двух задач: оценки диапазона прохождения радиоволн между двумя точками земной поверхности и дистанционной оценки параметров ионосферы в области отражения зондирующих волн. Соответственно, круг вопросов, связанных с первой проблемой формирует прямую, а втрое направление - соответственно обратную задачу наклонного зондирования ионосферы. В свою очередь, решение этих задач включает в себя как экспериментальные средства и методики радиозондирования, так и математические и программные методы решения задачи переноса излучения в неоднородной магнитоактивной низкотемпературной ионосферной плазме, а прикладные аспекты проблемы, связанные с прогнозированием прохождения радиоволн, также включают в себя и современные сетевые средства передачи информации. Рассмотрим основные моменты и современные результаты в решении прямой и обратной задачи многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы.
Экспериментальные методы наклонного радиозондирования ионосферы.
Наиболее распространенным средством оценки состояния ионосферы Земли является метод вертикального радиозондирования с плавным изменением частоты
8
радиосигнала и измерением его группового запаздывания. Этот метод, наряду с его большой информативностью и наличием развитых математических методов обработки и анализа данных, обладает существенным ограничением - полученные оценки ионосферных параметров являются локальными, а для диагностики в каждой точке необходимо иметь полный набор средств радиозондирования: передающее устройство, приемник и, что самое сложное, антенно-фидерную систему. При наклонном радиозондировании передатчик и приемник разнесены в пространстве и один передатчик используется для сколько угодно большого количества приемных устройств при условии их синхронной работы. Если изменение частоты происходит в достаточно широком диапазоне, то результатом является получение ионограммы наклонного радиозондирования ионосферы, которая отражает частотную зависимость группового запаздывания сигналов, прошедших различными путями в ионосфере, в точке приема, т.е. модовую структуру поля. Разрешающая способность методов радиозондирования, те. способность разделить способы переноса энергии электромагнитной волны из одной точки пространства в другую, определяется структурой используемого сигнала и, соответственно, от него и зависит качество ионограммы НЗ. В настоящее время в практике зондирования ионосферы используется три вида сигналов: амплитудно-модулированный (простой радиоимпульс), линейгно-
частотномодулированный (ЛЧМ) и фазо-кодо манипулированный (ФКМ). Последние два вида из этих сигналов считаются широкополосными, хотя, нужно отметить, что и для работы с первым видом от приемника тоже требуется расширенная полоса приема.
1. Амплитудно-модулированный сигнал. Исторически это самый первый вид сигнала, примененного для разделения модов в поле волны, прошедшей ионосферу, и первые ионограммы НЗ с использованием этого метода были получены, по видимому, в начале 50-х годов [8и1гег, 1955]. В своем дальнейшем развитии в рамках этого подхода использовалось импульсное излучение в широком диапазоне длительностей - от 10 до 500 мкс. Для приема коротких импульсов уже необходима расширенная полоса приемника. Так, как выяснилось в результате экспериментов, для оптимальной длительности в ~100 мкс требуется полоса приема ~ 15 КГц. Использование простого радиоимпульса также
9
предполагает значительную мощность передающего устройства ~ 20 кВт в импульсе, поскольку расширенная полоса приема повышает также и уровень шумов. Кроме того, радиоимпульс, при прохождении диспергирующей и случайнонеоднородной среды, расплывается за счет диффузии и рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях плазмы. Поэтому приходящий импульс, как правило, уширен и следы на ионограммах НЗ не очень высокого качества. В ИЗМИРАН работы по наклонному зондированию с использованием гладких импульсных сигналов начались в начале 80-х [рис. 1, верхняя панель], а снятой уже с применением цифровых методов обработки сигналов, на трассе Калининград(30 ИЗМИР АН)-ИЗМИРАН, имеющей дальность ~ 1100 км,
представлен на рис. 1, нижняя панель (любезно предоставлена В. Ю.Кимом). Видно разделение модов, формирующихся при отражении от ионосферных слоев, но разрешения уже не хватает для качественного разделения магнитоионных компонент внутри модов, верхних лучей и следов кратных отражений.
2. Линейно-частотно модулированный сигнал. В основе этого метода лежит идея о переводе группового запаздывания модов в частотное пространство и использование развитых методов спекгрального анализа для их разрешения и формирования модовой структуры. Для этого частоты передатчика и приемника синхронно перестраиваются и вследствие того, что для различных модов время прохождения расстояния между двумя конечными точками трассы различается, в суммарном поле они будут иметь различное частотное смещение. Чем ниже скорость перестройки, тем большая энергия может быть передана в конкретном частотном интервале, тем выше будет соотношение сигнал/шум и меньше требуемая мощность излучения. Однако при этом возрастает общее время зондирования. Разрешающую способность данного метода так же, как и в классическом случае, ограничивает дисперсионное искажение при расширении полосы зондирующего сигнала и рассеяние на мелкомасштабных неоднородностях. Поэтому, в настоящее время, наиболее употребительной скоростью перестройки является — 100 кГц/сек. Мощность передатчика варьируется в пределах от 100 Вт до 2 кВт непрерывного излучения. Первые ионограммы НЗ на основе этого принципа были получены в начале 70-х [Fenwick, 1973], а
10
Л'А«.. (імН л
V. • *» ,4 /? ;. Л
.............
1 і:
' .!;■! В’. К-іі:
** тж
ВАЖ_М Іопобгат *.оиІ: Ь = 720 кт , ( =130В4 кНг
Рисунок 1 - Ионограммы наклонного радиозондирования ионосферы на трассе Калининград(30_ИЗМИРАН)-ИЗМИРАН 21.09.82 и 01.11.2005 при использовании простого импульсно модулированного радиосигнала.
11
Ги- 1ПП
Трасса Inskip (Великобритания 54N3W)
Дата 13.03.2003 Время 18:52
Пинпйчпи 4 71) ■ 11) ПП МНт Г 1ПП ПП КНт/«* 1
35.7dB
- Москва (ИЗМИРЛН)
Muwu
Рисунок 2 - Примеры ионограмм наклонного радиозондирования ионосферы на трассах ИЗМИР АН - Нижний-Новгород и Англия-ИЗМИРАН при использовании линейно-частотно модулированного сигнала со скоростью перестройки 100 кГ ц/сек.
обзор современного состояния ионосферных исследований с применением ЛЧМ-сигналов можно найти в [Иванов и др, 2003]. Пример современных ионограмм НЗ, полученных на трассе Инскип(Англия)-ИЗМИРАН (-2500 км), представлен на рис.2. Из сопоставления рис.1 и рис. 2 видно, что использование техники ЛЧМ-зондирования позволяет выделить не только базовые моды, но и различить магнитоионные компоненты внутри этих модов, да и само качество ионограмм НЗ, в общем, заметно выше по сравнению с простым импульсным методом.
2. Фазо-кодо манипулированный сигнал. В основе этого метода лежит использование цифровых псевдослучайных последовательностей (ПСП) для модулирования исходного информационного сигнала. Причем один исходный импульс модулируется, например, 32-элементной ПСП. При этом возрастает его длительность, расширяется спектр, но значительно понижается мощность излучения. На приемном конце используется корреляционный анализ для выделения исходного сигнала. В ионосферных исследованиях такой подход применяется в американском ионозонде вертикального радиозондирования ЭР5-4, в котором длительность одного элемента ПСП составляет ~ 40 мкеек и число элементов в одной ПСП - 128, 256 и 512. Мощность передатчика составляет -300
1
0123401234
1/т Их
Рисунок 3. - Нормированная амплитуда сигнала на выходе накопителя при одномодовом и двухмодовом распространении радиоволн. Эксперимент на трассе Екатеринбург (Егоршино) - ИЗМИР АН (-1500 км) 14.07.2004 г.
13
Вт. Применение этих ионозондов для наклонного зондирования показывают, что качество ионограмм НЗ находится на уровне ионограмм, полученных с использованием классического радиоимпульса. Хотя потенциал этого вида сигнала еще не исчерпан. На рис. 3 представлен пример разделения модов на фиксированных частотах зондирования для трассы 1500 км при полосе 150 кГц, который можно рассматривать как первый шаг в развитии нового и, по всей видимости, перспективного метода радиозондирования ионосферы [Сахтеров, 2006].
Математические методы в задаче наклонного радиозондирования. Под прямой задачей многочастотного наклонного радиозондирования будем понимать задачу синтеза ионограммы НЗ, т.е. частотной зависимости группового запаздывания модов (способов прохождения) зондирующих сигналов. В настоящее время, по-видимому, можно выделить два механизма описания волнового поля, на которых строится и решается задача синтеза ионограмм НЗ: метод геометрической оптики [Кравцов и Орлов, 1980], математические основы которого были заложены Хазелгровом [Наге^оуе, 1955], и метод нормальных волн [Куркин и др., 1981]. В настоящее время прямая задача НЗ строится в сочетании с моделью ионосферы, определяющей необходимые для расчета волновых параметров распределения электронной концентрации и эффективной частоты соударений электронов. В данной работе, в рамках прямой задачи синтеза ионограмм НЗ, будут рассматриваться две проблемы:
а) прогнозирование прохождения радиоволн на основе глобальных статистических моделей ионосферы в довольно общей, но специфической, разработанной автором, квази-трехмерной постановке и
б) диагностика локализованных ионосферных возмущений, в том числе и имеющих искусственное происхождение, например, под воздействием мощных волновых пучков падающих вертикально или наклонно на ионосферу.
Разработанная система ’’Прогноз-ИЗМИРАН” является обобщением и развитием на современной базе ионосферного моделирования, математических методов построения лучевых траекторий и сетевых технологий, созданной в 1960-70-х годах методики долгосрочного прогнозирования [Жулина и др., 1969; Керблай, 1964; Керблай и Ковалевская, 1974; Шлионский, 1961]. Система
14
’’Прогноз-ИЗМИРАН” также отличается от разработанной в США программы расчета долгосрочного прогноза (УОАСАР) тем, что дает не только усредненный (медианный) долгосрочный прогноз, но и, используя текущие данные солнечной активности и ВЗ, позволяет рассчитывать краткосрочный (оперативный) прогноз, более адекватно отражающий текущие условия прохождения радиоволн. В рассматриваемой реализации, по-видимому, впервые была применена глобальная модель, дающая эффективную частоту столкновений электронов в
газокинетическом рассмотрении [Часовитин, 1988], удалось соединить модель с общей трехмерной постановкой задачи распространения радиоволн в
магнитоактивной ионосфере в приближении геометрической оптики,
синтезировать ионограммы НЗ в высокоширотной ионосфере и построить метод учета столкновительного поглощения волнового поля на этой основе [Кища и др., 1993]. В дальнейшем, в связи с выявившимися недостатками модели СМИ-88, имеющими принципиальный характер в приполярных и полярных областях, аналогичная процедура была перенесена на модель 1111-2001 [Крашенинников и др., 2004].
На основе использования приближения геометрической оптики ставится и обратная задача НЗ. В математической литературе обратные задачи математической физики обычно принято делить на следующие классы: -одномерные или многомерные обратные задачи, и - линейные либо нелинейные задачи. Обратная задача НЗ является нелинейной и в наиболее общем случае своей постановки - многомерной. Все известные в настоящее время по литературе походы к решению обратной задачи НЗ можно условно разделить на два основных направления. К первому следует отнести методы, основанные на пересчете (трансформации) ионограммы НЗ ионосферы в эквивалентную ей (как предполагается, с тем же самым Ые (Л) - профилем) ионограмму ВЗ, по которой затем, используя хорошо отработанные процедуры решения обратной задачи ВЗ, получить искомый /Уе(А)-профиль. Такой подход привлекателен своей простотой,
поскольку при его реализации на практике отпадает необходимость в разработке специальных алгоритмов пересчета ионограммы НЗ в А, (А)-профиль, и для
получения решения обратной задачи НЗ достаточно иметь в наличии только алгоритмы обращения данных ВЗ. Ко второму классу методов решения обратной
15
задачи НЗ следует отнести методы, реализующие прямой пересчет данных НЗ, регистрируемых в виде ионограммы НЗ, непосредственно в одномерный N (Л) -профиль, минуя какие-либо промежуточные преобразования исходных
данных. Следует, однако, сразу отметить, что пересчет ионограммы НЗ в эквивалентную ионограмму ВЗ (первый класс методов решения обратной задачи НЗ) производится на основе теоремы Брайта и Тьюва и теоремы Мартина [Дэвис, 1973], справедливых только в случае плоской ионосферы. Для более сложных случаев имеются некоторые эмпирические приближенные обобщения теорем Брайта и Тьюва и Мартина, и поэтому, как показано в дальнейшем, такой подход можно рекомендовать для получения грубых оценок Л^(Л)-профиля в процессе
экспресс-анализа данных НЗ. В настоящее время в связи с широким внедрением в практику исследований ионосферы цифровых ионозондов, в состав которых обычно входит высокопроизводительный компьютер (либо с ними сопрягается внешний компьютер), более целесообразным является использование второго класса методов решения обратной задачи НЗ, т.е. прямого пересчета данных НЗ в Л^(Л)- профиль, поскольку, несмотря на их большую вычислительную трудоемкость, они обладают большей точностью, чем методы из первого класса и дают более корректную оценку реального (Л)-профиля. В свою очередь,
методы решения обратной задачи НЗ, образующие второй класс, можно разбить на два подкласса, причем к первому подклассу отнести методы, использующие приближенный оператор прямой задачи, на базе обращения которого строится процедура решения обратной задачи НЗ, а ко второму - относятся методы, основанные на использовании точных соотношений. В настоящее время большая часть публикаций, посвященных методам решения обратной задачи НЗ относится к первому подклассу, причем их использование позволяет получить оценку (А) - профиля в масштабе времени близком к реальному. Однако, быстрый рост
производительности у современных компьютеров и широкое внедрение в практику параллельных архитектур также позволяет, несмотря на большую вычислительную трудоемкость методов решения обратной задачи НЗ из второго подкласса, приблизить время их решения на современных многопроцессорных компьютерах к масштабу времени, близкому к реальному (например, [Махмутова, 1990]).
16
Таким образом, в математическом аспекте решения обратной задачи НЗ можно выделить два возможных пути: а) прямое решение системы интегро-дифференциальных уравнений и б) используя приближенные и асимптотические методы, свести систему интегральных уравнений к более простой системе нелинейных уравнений. Однако, непосредственное решение системы уравнений, используя вариационный принцип отбора решения по невязке, требует большого объема памяти и, самое главное, большого быстродействия ЭВМ. Основные проблемы в таком подходе к решению задачи об оценке вертикального распределения электронной концентрации по ионограмме НЗ изложены в [Барашков и Дмитриев, 1972; Дмитриев и Барашков, 1975]. Кроме того, в ряде случаев, например [Дмитриев и Салтыков, 1988], для его реализации требуется в дополнение к зависимости группового пути от частоты зондирования информация об углах прихода в вертикальной плоскости, что представляет собой трудную экспериментальную задачу. Второй путь решения обратной задачи НЗ основан на использовании аналитических решений лучевых уравнений для некоторых модельных представлений вертикального профиля электронной концентрации, его основоположником, по-видимому, следует считать Гетинга [Gething, 1969]. В дальнейшем этот подход был развит в работах [George, 1970; Smith, 1970; Rao, 1973; Chuang and Yeh, 1977; Reilly, 1985; Krasheninnikov and Liannoy, 1990; Xueqin Huang et al., 1996]. При этом может быть использовано разбиение Nt (Л)-профиля
на ряд участков (сегментов), для каждого из которых существует аналитическое решение, и таким образом построить полное решение для заданного профиля. Решение обратной задачи в этом случае сводится к решению системы нелинейных уравнений относительно параметров каждого сегмента со специальным исследованием устойчивости и единственности. Общие математические вопросы регуляризации и стабилизации решения обратной задачи в классах гладких функций (с непрерывным высотным градиентом) рассмотрены в работе [Снеговой, 1992].
Постоянное совершенствование технических измерений, средств автоматизации и вычислительной техники позволило в последнее время приступить к новому этапу исследований, связанному с использованием данных, получаемых на мировой сети ионозондов для решения задачи глобального
17
мониторинга ионосферы в реальном масштабе времени. При этом ясно, что в зависимости от количества и степени информативности экспериментальных данных, получаемых на мировой сети ионозондов, восстановленная по этим данным структура ионосферы будет в большей или меньшей степени соответствовать сс реальной структуре. В работе [Write and Paul, 1981] для реализации более качественного восстановления пространственной структуры ионосферы в зонах зондирования наземных радиофизических средств, предложено, наряду с режимом ВЗ, дополнительно обеспечить также режим НЗ между ними в пределах односкачковых трасс, поскольку пересчет данных НЗ в эффективный Л'(Л)-профиль, привязываемый к центру трассы НЗ, позволяет таким образом
получить информацию об ионосфере и для тех точек, где ионозонды ВЗ отсутствуют. В свою очередь, такой подход требует разработки эффективных в вычислительном отношении численных методов для оперативной обработки экспериментальных данных НЗ с целью пересчета их в N (Л)- профиль и
соблюдения принципа однородности как в стартовых условиях, т.е. одинакового учета области ненаблюдаемой ионизации, так и в другом аспекте обратных задач -представлении долины межслоевой ионизации. В процессе постановки обратной задачи НЗ ионосферы применительно к таким приложениям, как связь, локация, пеленгация и др., также принципиальным моментом является вопрос обеспечения режима обработки данных ИЗ и НЗ в реальном масштабе времени.
Актуальность темы. В силу того, что распространение радиоволн в декаметровом диапазоне продолжает играть значительную роль в специальных системах радиокоммуникаций и смежных задачах, таких как радиопеленгация и контроль среды над территорией РФ, вопросы развития и совершенствования этого научного направления, с учетом современных результатов в области ионосферного моделирования, математических методов описания ионосферного распространения радиоволн и технических средств, являются актуальными.
Цель работы. Исследования и разработки, представленные в диссертации, имеют своей целью дальнейшее развитие метода многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы и его применение как в задаче прогнозирования прохождения радиоволн в ионосфере, так и в задаче диагностики состояния
18
ионосферы как естественной, так и локально возмущенной среды, в том числе и при воздействии мощных волновых пучков.
Идея работы состоит в том, чтобы:
а) на основе новых программных разработок и современных моделей ионосферы создать новую систему прогнозирования прохождения радиоволн в ионосфере, обобщающую традиционно существующую (созданную в ИЗМИРАН в 60-70-х годах) и позволяющую автоматизировать сбор общих данных на центральном сервере с возможностью их использования в долгосрочном и краткосрочном прогнозировании работы систем радиосвязи, а также в решении других специальных вопросов использования радиоволн декаметрового диапазона;
б) использовать метод многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы как эффективный и высокочувствительный инструмент диагностики состояния ионосферы, в том числе и при наличии локализованных ионосферных возмущений естественного и искусственного происхождения.
Задачи исследований, исходя из целей работы:
1. Разработка новой системы долгосрочного и краткосрочного (оперативного) прогнозирования с учетом текущего уровня солнечной активности и состояния ионосферы;
2. Исследование возможностей метода многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы в задачах с наличием крупномасштабных локализованных ионосферных возмущений;
3. Оценка эффективности и адекватности предлагаемого, более высокой степени гладкости, метода инверсии ионограммы НЗ в высотный профиль электронной концентрации;
4. Исследование эффективности и адекватности разработанной системы прогнозирования прохождения радиоволн “Прогноз-ИЗМИРАН” в практике работы реальных радиолиний.
Методы исследований в достижении целей работы:
1. Теоретические, математические и программные разработки в области моделирования ионосферного распространения радиоволн декаметрового диапазона;
19
2. Экспериментальные исследования на установках, позволяющих осуществлять многочастотное наклонное и вертикальное зондирование ионосферы и специальные исследования в практике радиосвязи, электромагнитной доступности и одноточечной пеленгации ИРИ.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Разработана, создана и апробирована новая система долгосрочного и краткосрочного прогнозирования ионосферного прохождения радиоволн -“Прогноз-ИЗМИРАН”, являющаяся развитием и обобщением на современном уровне классических методик ИЗМИР АН 1960-70-х годов;
2. Теоретически предсказан и экспериментально обнаружен принципиально новый тип отклика возмущенной области, генерируемой в области отражения мощной вертикально падающей волны накачки в методе наклонного ЛЧМ-зондирования, связанный с механизмом захвата зондирующих волн в открытый крупномасштабный резонатор, и формирование прожекторного эффекта (резонаторные моды в задаче диагностики);
3. Выполнена интерпретация уникальных данных диагностики эффекта воздействия мощного наклонного волнового пучка на ионосферу на основе модели открытого крупномасштабного резонатора, формирующегося в области острия простой каустики;
4. Разработан метод инверсии ионограмм НЗ в высотный профиль, основанный на построении устойчивого решения обратной задачи многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы в классе функций с непрерывным высотным градиентом, и однородный по параметрам профилей, получаемых из классических данных ВЗ.
Достоверность полученных научных и практических результатов базируется на применении научно обоснованных теоретических методов, современных средств разработки программных модулей, моделировании и обработке результатов многолетних экспериментов с использованием нового уникального научного оборудования и анализе соответствия экспериментальных и теоретических исследований, в том числе, полученных другими авторами.
20
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, разработанными методами их решения, впервые полученными результатами и состоит в следующем:
1. Разработана методика долгосрочного и краткосрочного (оперативного) прогнозирования на основе общей системы трехмерных лучевых уравнений и глобальных моделей ионосферы (СМИ-88 и IRI-2001) в квазитрехмерной реализации и учете текущих данных солнечной активности и вертикального (наклонного) радиозондирования в автоматическом режиме.
2. На массиве экспериментальных данных наклонного импульсного и JI4M-зондирования ионосферы, данных по измерениям сигналов РВМ на длинных и сверхдлинных трассах показана эффективность разработанных методик.
3. Открыт новый механизм отклика искусственно возмущенной вертикальным мощным волновым пучком области при диагностике методом многочастотного наклонного радиозондирования - формирование резонаторных модов.
4. Показано, что при резонансных условиях воздействие мощного наклонного волнового пучка может приводить к образованию в области острия простой каустики открытого крупномасштабного резонатора, способного при определенных условиях формировать дополнительные следы на ионограмме ВЗ;
5. Разработан метод получения устойчивого решения обратной задачи НЗ в классе функций с непрерывным высотным градиентом.
Личный вклад автора. Диссертация обобщает результаты теоретических и экспериментальных исследований, в большей части которых участие автора было определяющим или равноценным, в основном, в соавторстве с сотрудниками ИЗМИР АН. Во всех работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит полноценное участие в постановке задач и, как правило, определяющее в математической и программной части, анализе данных. В частности, в работах по развитию прогнозированию! автору принадлежит постановка задачи, разработка методик совместно с Кищей П.В., руководство и определяющее участие в окончательной программной реализации. Исследования в области решения обратной задачи выполнялись совместно с аспирантом Снеговым A.A., в двумерной обратной задаче - совместно с Барановым В.А., а исследования по
21
спаданию поля в закаустическую область совместно с Еременко В. А., который провел математическую часть задачи. Экспериментальные исследования по многочастотному наклонному и специальным приложениям вертикального зондирования ионосферы в 1980-2000 гг. и вопросы применения результатов выполнялись совместно с Ля иным Б.Е., а ЛЧМ-зондирование возмущенной области от стенда “Сура” в 2007-2010 гг. проводились совместно с У рядовым В. П. (ФНГУ “НИРФИ”), Вертоградовым Г.Г. (ЮФУ), Ивановым В.А. (МарТУ) и Валовым В.А. (ФГУП “НПП ’’Полет”). Теоретическое обоснование возможности существования резонаторных модов в возмущенных областях получено лично автором, а экспериментальное подтверждение совместно с перечисленными участниками экспериментов 2007 - 2010 гг. Данные по проявлениям воздействия мощного наклонного волнового пучка любезно предоставлены проф. Сэйлсом (G.S. Sales, Lowell, USA), а их интерпретация выполнена автором. Автор признателен всем коллегам по совместным работам.
Практическая значимость полученных в диссертации результатов заключается, прежде всего, применительно к декаметровому диапазону радиоволн, в разработке распределенной системы прогнозирования прохождения радиоволн “Прогноз-ИЗМИРАН”, включающей в себя как средства расчета, так и обеспечения текущими гео-гелиофизическими данными. Система прогнозирования “Прогноз-ИЗМИРАН” является рабочим инструментом в практике работы ряда организаций РФ, использующих в своей деятельности ионосферную радиосвязь. Разработанные программные модули местоопределения ИРИ с использованием глобальных статистических моделей ионосферы используются в современных пеленгационных комплексах. Общие программы, иллюстрирующие процессы распространения радиоволн в ионосфере Земли, используются в учебном процессе.
Реализация и апробация результатов работы. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных и целевых научно-исследовательских работ в лаборатории моделирования волновых полей в ионосфере ИЗМИРАН. В целом система “Прогноз-ИЗМИРАН” была создана в ходе ОКР «Прогноз-ИЗМИРАН» и «Рукав» в 2003 - 2010 гг., прошла государствешше испытания и была принята к эксплуатации в ряде организаций
22
Минобороны и других ведомств. Данная система является действующей и используется, в том числе, и в учебном процессе, например, в Черкасском государственном университете (Украина). Результаты по диагностике искусственных возмущений ионосферы в экспериментах по нелинейному взаимодействию мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой получены, частично, в ходе выполнения ФЦП №26/ГФ/Н-08 2008 - 2010 гг. По вопросам обратной задачи многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы аспирантом защищена диссертация на соискание степени кандидата физ.-мат. наук.
Основные результаты работы и положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на:
- Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (XIV -Ленинград, 1984; XV - Алма-Ата, 1987; XXI - Йошкар-Ола, 2005; XXII - Ростов-на-Дону, 2008; XXIII - Йошкар-Ола, 2011);
- General Assambly of the URSI (XXV - Lille, France, 1993; XXX - Istanbul, 2011);
- International Suzdal URSI Symposium “Effects of Artificial Action on the Earth Ionosphere by Powerful Radio Waves” (I - Москва (Суздаль), 1985; III - Москва (Суздаль), 1991; IV - Uppsala (Sweden), 1994; VII - Москва (ИЗМИРАН), 2007);
- Региональная конференция по распространению радиоволн (Санкт-Петербург) (2008; 2011);
- IRI/COST 296 Workshop, Prague, 2007;
и других научных конференциях и симпозиумах.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 50 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в журналах “Геомагнетизм и аэрономия”, “Известия вузов. Радиофизика”, “Электромагнитные волны и электронные системы”, Journal Atmospheric and Terrestrial Physics, Journal of Advances in Space Research, Annali di Geofisica, Computers & Geosciences, Acta Geophysica.
Список основных публикаций в реферируемых научных изданиях:
1. Крашенинников И.В. Оценка высотного распределения электронной конценграции по ионограмме наклонного зондирования ионосферы.
/ Крашенинников И.В., Лобачевский Л.А., Лянной Б.Е., Снеговой А.А./
23
Геомагнетизм и аэрономия. Т. 23. № 5. С.727-732. 1983.
2. Крашенинников И В. Изменение дистанционно-частотных характеристик наклонного зондирования в условиях искусственного возмущения верхней ионосферы.
/ Бахметьева Н.В., Бенедиктов Б.А., Бочкарев Г.С. и др. /
Геомагнетизм и аэрономия. Т.25. №2. С. 233-238. 1985.
3. Крашенинников И В. Модовая структура ионограмм НЗ при некоторых видах искусственного возмущения ионосферы.
/ Крашенинников И.В., Лянной Б.Б. /
Геомагнетизм и аэрономия. Т.27. № 6. С.936-942. 1987.
4. Крашенинников И В. Вариации траскторных характеристик сигналов НЗ в условиях искусственно возмущенной ионосферы.
/Бочкарев Г.С., Кольцов В.В., Крашенинников И.В., Лянной Б.Е. /
Известия ВУЗов. Радиофизика. Т.30. №6. С.697-702. 1987.
5. Крашенинников И.В. Метод возмущений в обратной задаче наклонного зондирования двумерно-неоднородной ионосферы.
/ Баранов В.А., Крашенинников И.В. /
Известия ВУЗов. Радиофизика. Т.31. № 10. С. 1180-1185. 1988.
6. Крашенинников И.В. О диагностике локализованных искусственных неоднородностей в нижней ионосфере методом многочастотного наклонного зондирования.
/ Крашенинников И. В../
Геомагнетизм и аэрономия. Т.29. № 4. С.635-640. 1989.
7. Крашенинников И В. Об интерпретации одного вида перемещающегося ионосферного возмущения по ионограммам вертикального радиозондирования.
/ Крашенинников И.В., Лянной Б.Б. /
Геомагнетизм и аэрономия. Т.31. № 3. С.427-433. 1991.
8. Крашенинников И.В. Моделирование многочастотного распространения КВ-сигналов в высоких широтах.
/ Кища П.В., Крашенинников И.В., Лукашкин B.MJ Геомагнетизм и аэрономия. Т.33. № 1. С.258-162. 1993.
24
9. Крашенинников И.В. Погрешности прогнозирования ионосферного прохождения радиоволн на основе глобальной ионосферной модели.
/ Крашенинников И.В., Егоров И.Б., Коломийцев О.П. и Черкашин Ю.Н. / Геомагнетизм и аэрономия. Т. 44. № 2. С. 221-226. 2004.
10. Крашенинников И.В. Формирование комбинированных модов в ионосферном прохождении радиоволн.
/ Крашенинников И.В., Егоров И.Б./
Геомагнетизм и аэрономия. Т. 45. № 2. С. 241-244. 2005.
11. Крашенинников И.В. Особенности поведения волнового поля радиоизлучения в окрестности максимально применимой частоты.
/Еременко В.Л., Крашенинников И.В., Черкашин Ю.Н. /
Геомагнетизм и аэрономия. Т. 47. № 3. С. 407-412. 2007.
12. Крашенинников И.В. Воздействие мощного наклонного радиоизлучения на ионосферу Земли.
/ Черкашин Ю.Н., Еременко В.А., Крашенинников И. В. /
Электромагнитные волны и электронные системы. Т. 12. № 8. С.47-54. 2007.
13. Крашенинников И.В. Эффективность прогнозирования прохождения радиоволн в ионосфере на основе ионосферной модели IRI-2001.
I Крашенинников И.В., Егоров И.Б., Павлова НМ. /
Геомагнетизм и аэрономия. Т.48. №4. с. 526-533. 2008.
14. Крашенинников И.В. О структуре и динамике области ионосферы с искусственными мелкомасштабными неоднородностями по данным комплексных измерений характеристик рассеянных радиосигналов.
/ Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Понятое A.A. и др. /
Известия ВУЗов. Радиофизика. T.LI. №12. С. 1011-1025. 2008.
15. Крашенинников И.В. Зондирование искусственно возмущенной области ионосферы с помощью ионозонда/пеленгатора с линейной частотной модуляцией сигнала.
/ Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г. и др. /
Известия ВУЗов. Радиофизика. T.LII. №4. С. 267-277. 2009.
16. Крашенинников И.В. Диагностика искусственно-возмущенной ионосферы с помощью современной техники зондирования.
25
/ Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г. и др. /
Электромагнитные волны и электронные системы. Выпуск: Проблемы космических исследовании. Т. 15. С. 22-29. 2010.
17. Krasheninnikov I.V. Inversion Techniques for Determining the Electron Density Profile from Oblique Incidence lonograms.
/ Krasheninnikov /. V, Liannoy B.E. /
Jour. Adv. Space Res. V.8. No.4. P. 83-87. 1988.
18. Krasheninnikov I.V. Estimation of the ionospheric height profile with a continious gradient from oblique sounding data.
/ Krasheninnikov /. V, Liannoy B.E. /
Jour. Atmos. Terr. Phys. V.52. No.2. P. 113-117. 1990.
19. Krasheninnikov I.V. Analysis of power-frequency dependence of oblique sounding ionograms.
/ Krasheninnikov I.V., Kischa P.V. and Broms M. /
XXV-th General Assambly of the URSI, Lille, France. Abstracts. P.357, 1996.
20. Krasheninnikov I.V. Compatible analysis of vertical and oblique sounding data. /Krasheninnikov I. V., Jodogne J.-C. and Alberca L.F.. /
Annali di Geofisica. Vol.39(XXXIX). No.4. P.763-768. 1996.
21. Krasheninnikov I.V. Autoscala: an Aid for Different Ionosondes.
/ Pezzopane М., Scot to К, Tomasik L., Krasheninnikov 1. /
Acta Geophysica. V.58. No.3. P.513-526. 2009.
22. Krasheninnikov I.V. Application of Autoscala to ionograms recorded by the AIS-Parus ionosonde.
/ Krasheninnikov /., Pezzopane M, Scotto C. /
Computers & Geosciences. V.36. P.628-635. 2010.
23. Kjasheninnikov I.V. IRI-2001 model efficiency in ionospheric radiowave propagation forecasting.
/ Krasheninnikov I. V., Egorov l.B. /
Jour. Advances in Space Research. V.45. P.268-275. 2010.
26
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 328 страниц текста, 121 рисунок, 6 таблиц и библиографию из 205 наименований.
Содержание работы. Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные цели работы, результаты, выносимые на защиту, и приводится ее краткое содержание.
Первая глава посвяшена вопросам разработки методики долгосрочного и краткосрочного прогнозирования. В основе методики лежит гсомстрооптичсский механизм распространения радиоволн в магнитоактивной трехмерно-неоднородной ионосфере - базовые лучевые уравнения рассматриваются в общем виде, а их применение в совокупности с глобальной ионосферной моделью сводится к квазитрехмерной реализации. Рассматриваются две глобальные статистические модели СМИ-88 и 1111-2001, из которых первая имеет большой потенциал, особенно в полярных областях, адекватного представления пространственно-временного распределения электронной концентрации и эффективной частоты соударений электронов с ионами и нейтральными молекулами газов. Также следует отметить, на наш взгляд, более адекватное описание слоя Е, в частности, зависимость высоты его максимума от параметров солнечной активности и локального времени суток, чего нет в модели Ж1-2001. Однако содержащиеся в модели существенные программные недоработки значительно ограничивают область ее применения. По этой причине модель 1Ш-2001 была доработана - в нее был внесен газокинетический механизм формирования эффективной частоты соударений электронов, взятый из модели СМИ-88. Предложена методика адаптации модели к текущим геофизическим условиям, сочетающая взвешенный учет месячных и текущих данных солнечной активности и данные о параметрах главного ионосферного максимума, которые могут быть получены как из данных вертикального, так и наклонного радиозондирования. На примере использования данных двух станций ВЗ (ИЗМИРАН и Афины) показана адекватность данной методики для контрольной станции - Рим в суточном ходе, с достаточно существенным отклонением от модели. Эффективность всей методики в целом была проанализирована для широкого диапазона индексов солнечной активности
27
2002 -2007 гг. для периода весеннего равноденствия (марта месяца) на примере данных вертикального зондирования на ст. ИЗМИРАН и двух практически ортогональных трасс наклонного зондирования Кипр - ИЗМИРАН и Англия -ИЗМИРАН, для которых анализировалось соответствие экспериментальных и модельных МПЧ. Показано, что относительные среднеквадратичные отклонения наблюдаемых МПЧ от модельных имеют нижнюю границу ~ 10%, что, как показано, является следствием существенного расхождения модельных и расчетных высотных профилей электронной концентрации. На примере анализа данных измерений волнового поля на длинной 7000 км) и сверхдлинной (~16000 км) трассах исследуется общая достоверность расчета напряженности поля. И в последнем разделе приведен и проанализирован интересный случай наблюдений комбинированных модов прохождения одновременно на двух ортогональных трассах.
Во второй главе диссертации рассмотрены вопросы применения многочастотного наклонного радиозондирования или вертикального зондирования для диагностики локализованных ионосферных возмущений, имеющих естественное или антропогенное происхождение. Локализованное возмущение может быть вызвано, например, инжекцией легкоионизируемых веществ в нижней ионосфере или нагревом электронной компоненты плазмы верхней ионосферы в полях мощных волновых пучков. Локализованная динамическая неоднородность естественного происхождения - волновое возмущение с большим значением фактора возмущения при прохождении области формирования отраженного сигнала ионозонда ВЗ может приводить к разрушению классических следов, т.е. ионограмма уже не является, строго говоря, ионограммой ВЗ. При синтезе обратных отражений возникает ситуация, когда в области отражения показатель преломления обращается в нуль. Для этой ситуации рассмотрено асимптотическое представление лучевых уравнений и получено их представление, не имеющее особенностей и, таким образом, лучевая траектория плавно проходит точку отражения. Представлены примеры лучевых траекторий в естественной ионосфере, с расходящимися в плоскости магнитного меридиана магнитоионными компонентами.
28
Одним хорошо исследованным видом искусственного возмущения ионосферной плазмы является эффект воздействия мощного вертикального волнового пучка на ионосферу и метод многочастотного наклонного радиозондирования внес определенный вклад в изучение этой проблемы. Так, эксперимент по наклонному зондированию, с разносом конечных точек симметрично относительно области нагрева, проведенный в 1982 г., показал два фундаментальных результата: а) было зафиксировано изменение МПЧ при воздействии мощной нагревной волны и б) обнаружено обратное рассеяние зондирующих сигналов от области возмущения. Другая кампания по наклонному зондированию уже ЛЧМ-сигналом проводилась в 2007 - 2010 гг. и здесь были получены также интересные результаты. В частности, используя более эффективный метод при значительно меньшей излучаемой мощности и пространственно разнесенную сеть приемных точек, был надежно установлен факт неизотропности рассеяния волнового поля на мелкомасштабных магнитоориентированных неоднородностях, генерируемых в области отражения. При этом, методом пеленгования было установлено, что источником рассеянного поля является действительно область отражения мощной волны накачки. Также был обнаружен совершенно новый механизм отклика возмущенной области ионосферы на зондирующие волны - захват волнового поля в крупномасштабную полость электронной концентрации, рефракцию в ней и высвечивание вниз. Этот эффект был назван прожекторным эффектом и, в отличие от эффекта ракурсного рассеяния, имеет совершенно другую частотную зависимость. А сам механизм его формирования - резонаторными модами. Этот эффект значительно более критичен к степени возмущения - так экспериментально он был зафиксирован только при наклоне антенн нагревного стенда в направлении магнитного зенита и в ночных условиях, когда кардинально уменьшается поглощение в нижних слоях ионосферы, а значение критической частоты достаточно высоко для отражщгоя волны накачки.
Другой разновидностью нелинейного взаимодействия мощных радиоволн с ионосферной плазмой является наклонное падение волновых пучков на ионосферу со специфическим проявлением эффектов воздействия. В эксперименте 1991 г. был достигнут рекордный уровень эффективной мощности излучения (90 ДбВт), примерно на порядок превысив аналогичный показатель в предыдущих
29
экспериментальных исследованиях, и был зафиксирован устойчивый статический дополнительный след на ионограмме ВЗ, полученной ионозондом в средней точке между передающим и приемным пунктами. В естественном состоянии ионосферы статические следы, явно отделенные ог следов основных модов, на ионограммах не наблюдаются в принципе. Следы, появляющиеся, например, при прохождении ПИВ имеют явно выраженный динамический характер. В разделе 2.4 проведена интерпретация этого уникального экспериментального результата. В численном моделировании распространения наклонного волнового пучка на примере модели гауссова пучка показано, что наиболее эффективное проявление нелинейных свойств может иметь место, когда центр пучка проходит через точку соединения двух ветвей простой каустики. Интерпретация данных наблюдений была проведена в геометрии, что именно в области острия каустики могла образоваться локализованная неоднородность либо положительного, либо отрицательного знака. Рассматривалась ситуация с довольно большой степенью возмущения электронной концентрации, чтобы смогли выполниться условия геометрооптического отражения. В результате было показано, что наиболее вероятным является случай, когда обратное отражение формируется в неоднородности резонаторного типа (в большой степени аналог резонатора, рассмотренного в предыдущем разделе), открытым только для определенного сектора углов излучения. Подтверждением данной точки зрения служит дальнейшее поведение следа, когда была изменена частота мощной волны (увеличена), то точка смыкания ветвей каустики сместилась и он исчез.
В разделе 2.5 проведена интерпретация также уникального, по тем временам, эксперимента, в котором было зарегистрировано прохождение периодического ионосферного возмущения с большим относительным значением отклонения электронной плотности в формируемой динамической неоднородности. Вертикальное зондирование проводилось с интервалом в 1 мин, что позволило детально проследить динамику его проявления на ионограммах. Характерным отличием такого сильного ПИВ от обычных волновых возмущений является кардинальное изменение структуры ионограммы - разрушение базовых модовых следов. На основе модели волнового возмущения класса акустико-гравитационных волн проведено исследование и моделирование его проявления в ионозондовых
30