Радиолокационное исследование среднеширотной мезосферы в КВ диапазоне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

-V/ < / / ' / . .-/ / , ., У / у ....... ;

/

НИЖЕГОРОДСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАДИОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (НИРФИ)

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

На правах рукописи

УДК 551.510.535

1

Шлюгаев Юрий Владимирович

РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДЕНЕШИРОТНОЙ МЕЗОСФЕРЫ В КВ ДИАПАЗОНЕ

01.04.03

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель Кандидат физико-математических наук Караштин Анатолий Николаевич

Нижний Новгород — 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................4

I. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕЗОСФЕ-РЫ (обзор литературы)..................................................................15

1.1. Радиолокационные методы исследования мезосферы--------17

1.2. Механизмы рассеяния радиоволн в мезосфере ....................22

1.3. Явление летнего мезосферного эхо (МЛЭ) ............................27

1.3.1. Наблюдаемые характеристики МЛЭ ..................................27

1.3.2. Существующие теории МЛЭ ..................................................31

II. МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЯ МЕЗОСФЕРНЫХ РАДИООТРАЖЕНИЙ .............................................................35

2.1. Задачи КВ зондирования мезосферы ......................................36

2.2. Оценка чувствительности мезосферного КВ радара--------38

2.3. Методика определения скорости движения рассеивающей среды ........................................................................................................44

2.4. Обработка сигналов в МСТ радарах ........................................45

2.5. Определение диаграммы рассеяния неоднородностей и углов прихода отраженных сигналов ........................................51

2.6. Методика проведения экспериментов с КВ радаром СУРА ..............................................................................................................53

2.6.1. Определение пространственно-временных и частотных свойств отраженных сигналов......................................53

2.6.2. Методика определения аспектной чувствительности . 55

III. КОРОТКОВОЛНОВЫЙ РАДАР ДЛЯ МЕЗОСФЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА БАЗЕ СТЕНДА СУРА ........................58

3.1. Радарные исследования на КВ радиокомплексе СУРА .. 59

3.2. Общая характеристика мезосферного КВ радара СУРА 61

3.3. Состав КВ радара СУРА ..............................................................64

3.3.1. Передатчики радара СУРА ....................................................64

3.3.2. Антенна радара СУРА ............................................................66

3.3.3. Приемники радара СУРА ........................................................68

3.3.4. Система управления и сбора информации радара СУРА ................................................................................................72

3.4. Особенности радарного режима стенда СУРА....................74

IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕЗОСФЕРНЫХ ЭХО

С ПОМОЩЬЮ КВ РАДАРА СУРА ..............................................76

4.1. Высотно-временные свойства меоосферных эхо ................77

4.2. Суточный ход интенсивности мезосферных радио отражений..................................................................................85

4.3. Сезонные изменения характеристик мезосферных КВ отражений ..................................................................................................87

4.4. Спорадические летние отражения повышенной интенсивности от области мезопаузы........................................................95

4.5. Сравнение результатов КВ зондирования мезосферы с результатами, полученными в УКВ и СВ диапазонах .. 98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .....................................................................................100

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................102

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Изучение явлений, происходящих в мезосфере, является одной из наиболее сложных и важных задач физики земной атмосферы. Первоначально интерес к летней мезосфере был связан с наблюдением серебристых облаков. Серебристые облака являются самыми высокими облаками на Земле и образуются в области самой низкой на Земле температуры атмосферы - в летней мезопаузе. Развитие физики заряженных аэрозолей, из которых состоят серебристые облака, привело к появлению новой области исследований, которая может быть названа физикой "пылевой плазмы".

Другой причиной для повышенного интереса к этой высотной области стало обнаружение аномально сильных отражений сигналов УКВ МСТ радаров на высотах мезопаузы в летние месяцы, которое было названо полярным мезосферным летним эхо (ПМЛЭ). Затем аналогичное явление было обнаружено и на более низких широтах и по аналогии названо мезосферным летним эхо (МЛЭ). Широкомасштабные исследования свойств и механизмов образования МЛЭ показали определяющее влияние заряженных аэрозолей на процесс его формирования.

Важным направлением является также исследование нейтральной и плазменной турбулентности в мезосфере с помощью мощных МСТ радаров.

Исследуемый в диссертации круг вопросов является частью интенсивно проводимых в России, США и Европе экспериментальных работ по изучению свойств мезосферных радиоотражений. В диссертации всесторонне проанализированы проведенные автором экспериментальные исследования мезосферных отражений в КВ диапа-

зоне в зависимости от времени суток и сезона.Это позволило провести систематизацию большого объема экспериментальных данных, полученных эа три года измерений, и может послужить хорошей основой для дальнейшего уточнения моделей процессов, происходящих в мезосфере.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование мезосферы радиолокационным методом в КВ диапазо-

1

не путем определения пространственно-временных, спектральных и других характеристик отраженных от области мезосферы сигналов, а также влияния сезонных и суточных изменений состояния средней атмосферы на эти характеристики.

Исследование проводится на основе анализа данных измерений характеристик мезосферных радиоэхо, сопоставления с другими известными методами исследования и моделями средней атмосферы.

Научная новизна работы заключается в следующем. Впервые в мире создан мезосферный радар КВ диапазона и проведены исследования мезосферы в этом диапазоне. Преимуществом КВ зондирования для исследования мезосферы является возможность наблюдать не только спорадические явления, как в УКВ диапазоне, но и фоновый уровень мезосферной турбулентности.

Большой массив полученных экспериментальных данных создает благоприятные условия для уточнения моделей динамических процессов в верхней атмосфере.

На основе анализа полученных данных показана перспективность радиолокационных наблюдений мезосферы именно в КВ диапазоне, как наиболее информативных.

Практическая ценность.

Разработанная и апробированная с помощью КВ радара на базе стенда СУРА методика экспериментального исследования свойств мезосферных радиоотражений позволяет вести непрерывный контроль состояния мезосферы и регистрировать его изменения, вызванные влиянием климатических, динамических и других факторов,

в том числе связанных с загрязнением окружающей среды.

1

Исследование свойств мезосферных радиоэхо в КВ диапазоне является мощным и эффективным дополнением к уже существующим радиометодам исследования мезосферы ( УКВ МСТ радары, метод частичных отражений и др. ) и имеет несомненные преимущества по оперативности и информативности.

На защиту выносятся:

1. Создание на базе стенда СУРА уникального мезосферного КВ радара, включающего в себя комплекс передающих и приемных средств, модернизированную антенную систему и гибкую систему управления и сбора экспериментальных данных.

2. Методика наблюдения и обработки результатов мезосферного зондирования с учетом особенностей помеховой обстановки в КВ диапазоне а также ограничений, накладываемых аппаратной частью радара.

3. Результаты исследования мезосферы радиолокационным методом в КВ диапазоне:

а) Обнаружение определяющего влияния ионизации мезосферы на суточный ход интенсивности радиоэхо, благодаря чему отражения наблюдаются в светлое для мезосферных высот время суток;

б) Обнаружение полугодовой вариации интенсивности мезосфер-ных КВ радиоотражений с максимумами в летний и зимний периоды и минимумами в весенний и осенний периоды;

в) Определение преобладающего турбулентного характера отражений от области мезопаузы ( 80-90 км ), в то время, как на меньших мезосферных высотах наблюдаются, как правило, френелевские отражения;

)

г) Определение типичного профиля вертикальной скорости в области мезопаузы в условиях развитых слоев, с преобладающим движением вверх в нижней части области вниз в верхней части.

4. Обнаружение спорадических мезосферных летних радиоэхо (МЛЭ) в КВ диапазоне, наблюдаемых в области мезопаузы и отличающихся повышенной интенсивностью, резким появлением и нисходящим движением.

5. Обнаружение тонкого стабильного турбулентного слоя на высоте около 82 км.

Личный вклад автора в проведении исследования выразился в следующем. В части проведения экспериментальных исследований при его непосредственном участии были разработаны требования к ме-зосферному КВ радару, создан ряд устройств радара и выполнены все основные измерения, результаты которых вынесены на защиту.

Разработка методики экспериментов, обработка и интерпретация данных измерений, как правило, проводилась совместно с научным руководителем А. Н. Караштиным.

Проведение экспериментальных исследований по локации мезосфе-ры для своего обеспечения требует обслуживания инженерного комплекса стенда СУРА коллективом сотрудников, без помощи которых

проведение представляемых экспериментальных исследований было бы невозможным.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: 21-st Remote Sensing Society Ann. Conf., Southampton, UK,1995; Workshop on E-region instabilities, Lindau, Germany, 1995; XVIII Всероссийской конференции по распространению

радиоволн, С.-Петербург, 1996; 3 Международной школе по физике

t

плазмы ВОЛГА-1997, а также на научных семинарах НИРФИ

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дана общая характеристика работы и кратко изложено ее основное содержание.

В первом разделе диссертации представлен обзор радиолокационных исследований мезосферы.

В п. 1.1 кратко охарактеризованы основные методы радиолокационного исследования мезосферы. Рассматриваются исследование мезосферы МСТ радарами, метод частичных отражений, использование метеорных радаров. Использование радаров для исследования мезосферы основано на рассеянии радиоволн на флуктуациях показателя преломления. В МСТ радарах используется преимущественно рассеяние на турбулентных флуктуациях показателя преломления с характерным масштабом в половину длины волны радара. Обработка принятых сигналов в МСТ радарах позволяет получать подробную информацию о состоянии рассеивающей области.

Преимущество МСТ техники перед другими заключается в высоком разрешении и широком высотном интервале, позволяющем ис-

следовать такие мелкомасштабные и быстроперемещающиеся структуры, как гравитационные волны и турбулентность. Метод частичных отражений, в котором используются установки СВ диапазона и нижней части КВ диапазона, позволяет получать информацию о мезосфере, при наличии там достаточного уровня ионизации. Корреляционные методы, развиваемые в технике частичных отражений,

в последнее время применяются в УКВ МСТ радарах. Установки, ис-

/

пользующие метод частичных отражений, обладают невысоким пространственным разрешением, но позволяют получать информацию о всей области мезосферы. Метеорные радары используют рассеяние на ионизированных следах метеорных частиц, сгорающих в атмосфере на высотах 80-100 км. Недостатком метода является нерегулярность появления метеоров, что приводит к необходимости длительного накопления сигналов и сравнительно узкий высотный интервал, захватывающий только самую верхнюю часть мезосферы. Достоин-

о и

ством метода является возможность длительной непрерывной работы независимо от времени суток и состояния ионосферы.

В п. 1.2 рассмотрены механизмы рассеяния радиоволн в мезосфере: турбулентное рассеяние, френелевское отражение, отражение от периодических структур плотности электронов, которые могут возникать вследствие возбуждения плазменных неустойчивостей. Наблюдения показывают, что плазменная турбулентность существует в атмосфере начиная с высот, как правило, больше 70 км. Турбулентное движение нейтрального газа, существующее до высот тур-бопаузы (порядка 100 км) способно возбуждать плазменные неоднородности, на которых происходит рассеяние радиоволн. Френелевское отражение, возникающее на резких градиентах профиля пока-

зателя преломления, является более вероятным для радаров СВ диапазона, когда половина длины волны превышает внешний масштаб турбулентности. Особенностью френелевского отражения является узкая диаграмма рассеяния радиоволн в противоположность широкому угловому спектру при турбулентном рассеянии. Отражение от периодических профилей концентрации электронов способно объяснить повышенные уровни рассеянных сигналов УКВ радаров. Воз)

буждение плазменных неустойчивостей возможно в условиях летней мезопаузы, когда температура в ней понижается и становится возможным образование многозарядных аэрозольных частиц.

В п. 1.3 приведен обзор экспериментальных и теоретических исследований явления мезосферного летнего эхо (МЛЭ). Наблюдаемые летом повышенные уровни интенсивности рассеянных радиоволн УКВ диапазона от области мезопаузы в полярных районах и на средних широтах интенсивно исследуются с помощью МСТ радаров, лидаров, ракетных приборов. Результаты экспериментальных исследований и теоретические работы показывают определяющее влияние заряженных аэрозолей, присутствующих летом в области мезопаузы, на формирование МЛЭ.

Второй раздел диссертации посвящен изложению методики наблюдения мезосферных радиоотражений.

Сопоставление данных, полученных атмосферными радиолокаторами СВ и УКВ диапазонов показывают существенную зависимость свойств мезосферных отражений от длины волны. Отсутствие данных КВ диапазона приводит к разрыву в спектре исследуемых пространственных масштабов.

В п. 2.1 сформулированы задачи КВ зондирования мезосферы,

и

связанные с необходимостью восполнить пробел в исследованиях ме-зосферы между СВ и УКВ диапазонами. Новый диапазон открывает новые возможности для исследования механизмов рассеяния радиоволн, а также явления МЛЭ, связанного с присутствием заряженных аэрозолей в летней мезопаузе.

В п. 2.2 производится оценка чувствительности предполагаемого

КВ радара, созданного на базе стенда СУРА. На основании урав-

1

нения радиолокации показано, что чувствительность такого радара к мезосферной турбулентности не уступает чувствительности ведущих УКВ МСТ радаров.

В п. 2.3-2.5 описаны методики наблюдения мезосферных радиоотражений и обработки полученных данных. Существует два типа мезосферных радаров - допплеровский и использующий метод разнесенного приема. В допплеровском УКВ радаре для определения скорости и диаграммы неоднородностей рассеяния используются узкие наклонные лучи, которые трудно получить в КВ диапазоне ( нужны очень большие антенны ). Для КВ диапазона более удобным является метод разнесенного приема. Этот метод, предъявляющий более слабые требования к ширине диаграммы направленности антенны, раньше применялся в СВ радарах, а теперь используется и в УКВ МСТ радарах.

В п. 2.6 рассматривается методика экспериментов с КВ радаром на базе стенда СУРА. В п. 2.6.1 отмечено, что особенности КВ диапазона и оборудования, использованного для создания КВ радара оказывают влияние на выбор параметров излучаемого импульсного сигнала и обработку полученных данных. Более сложная помеховая обстановка в КВ диапазоне не позволяет применять достаточно ко-

роткие зондирующие импульсы, что негативно сказывается на разрешении КВ радара по дальности. Отражение и рассеяние сигналов КВ диапазона требует увеличения периода повторения зондирующих импульсов, что снижает временное разрешение. В п. 2.6.2 излагается методика определения углов прихода отраженных сигналов, использовавшаяся в экспериментах по КВ локации мезосферы. Высокий уровень шума в КВ диапазоне обусловил применение методики измерения эффективных углов прихода сигналов по разности фаз между сигналами 2-х приемных антенн. Данный метод обеспечивает высокую точность и может использоваться для определения ширины диаграммы рассеяния мезосферных неоднородностей.

В третьем разделе дается описание коротковолнового радара для мезосферных исследований на базе стенда СУРА. После краткой характеристики нагревного стенда, в п. 3.1 дан обзор радарных исследований, проводившихся ранее и проводимых в настоящее время на стенде СУРА. Начало этих исследований было связано с КВ локацией Луны, которая сейчас используется, как средство калибровки чувствительности радарной системы СУРА. Дальнейшие работы были связаны с локацией магнитосферной турбулентности и, в последнее время, солнечной короны и солнечного ветра.

В п. 3.2 дана общая харак�