Экспериментальное исследование излучения при сверхсветовом движении радиозайчика вдоль нижней границы ионосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Министерство образования Российской Федерации Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский радиофизический институт

На нраодх рукописи

' 7 ЯНВ 11$

Мироненко Леонид Федорович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ СВЕРХСВЕТОВОМ ДВИЖЕНИИ РАДИОЗАЙЧИКА ВДОЛЬ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ИОНОСФЕРЫ

Специальность - 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фиоико-математических наук

Нижний Новгород — 2000

Работа выполнена в Научно-исследовательском радиофизическом институте, г. Нижний Новгород

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Болотовский Б.М.

доктор физико-математических наук профессор Степанов Н.С.

Ведущая организация:

Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Д 064.05.01 при Научно-исследовательском радиофизическом институте (603600, г. Нижний Новгород, ГСП-51, ул. Б. Печер-ская, д. 25)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследовательского радиофизического института

Автореферат разослан ноя5РЯ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета -

канд. физ.-мат. наук, с.н.с. Е. Н. Виняйкин

Защита диссертации состоится " декадРЯ 2000 г,

в -¡В._час. 00 . мин, на заседании диссертационного совета

ЗгУ^/Г/с./?/ £<Г О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена экспериментальному и численному ^следованию амплитудных, поляризационных и диаграммных зойств излучения искусственных движущихся возмущений ниж-ей ионосферы, создаваемых мощным сканирующим радиолу-ом КБ диапазона — "радиозайчиком". Движущаяся интер-еренционная картина формируется излучением двух незави-шых антенных секций стенда "Сура"(НИРФИ). Измерения численное моделирование произведены для диапазона скоро-гей движения "радиозайчика" на высоте ~ 70 км от 0.15 до .5 скорости света в вакууме.

Излучение радиозайчика было обнаружено в ходе экспери-ентов по исследованию нелинейных свойств нижней ионосфе-ы. Главной особенностью возбуждаемого излучения является о, что за счет нелинейности частота и угол под которым ком-инационная волна уходит из области взаимодействия КВ изучения с нижней ионосферой не равны частоте и углу падения сходных радиоволн. Экспериментальные и численные исследо-ания привели к созданию нового оригинального метода диа-еюстики нижней ионосферы.

Актуальность проблемы. В 1980г. в Государственный еестр открытий был занесен новый эффект под номером 231. ффект получил им я Гетманцева как один из наиболее инте-есных и важных результатов, полученных в целом ряде экс-ериментов по исследованию нелинейных свойств ионосферы, бнаруженных при облучении ее мощным модулированным КВ адиоизлучением при неподвижной диаграмме направленности, .альнейшим развитием этих исследований стало обнаружение злучения нижней ионосферы при облучении ее немодулиро-1нным КВ радиоизлучением, но с быстро вращающейся диа-эаммой направленности - "радиозайчиком".

Несмотря на то, что нелинейные явления в ионосфере из-зстны со времен обнаружения в 1933г. явления кроссмодуля-

ции или люксембург-горьковского эффекта 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 - Б 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 низкочастотного излучения от движущегося радиозайчика в диапазоне скоростей движения от 0.15 до 1.5 скорости света в вакууме. Это позволило разработать новый метод диагностики Б-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 ниж-

ей ионосферы.

Научная новизна работы работы заключается в следу-лцем. Впервые экспериментально обнаружено излучение на эмбинационных частотах от искусственных крупномасштаб-ых неоднородностей создаваемых в нижней ионосфере за счет елинейных эффектов и движущихся вдоль нижней границы со коростью больше скорости света в вакууме .

Преимуществом перехода к исследованию излучения от дви-:ущихся неоднородностей является направленность этого изучения и большая эффективность возбуждения волновода Земля-[онофера.

Научная и практическая ценность.

Одним из важнейших применений обнаруженного эффекта енерации излучения от сверхсветового радиозайчика может гать диагностика тонкой структуры ионосферных токов, ко-орая в средних широтах отражает динамику и структуру ней-рального ветра на высотах динамо-области ионосферы ( к « 0-=-80 км). Этому вопросу в последнее время уделяется большое нимание как с точки зрения изучения общей атмосферной цир-уляции, так и с точки зрения атмосферно-ионосферных свя-зй. Диагностические возможности обсуждаемого метода зало-сены в физическом механизме генерации излучения. Средние арактеристики интенсивности и эллипса поляризации отражают направление и скорость общей атмосферной циркуляции области нагрева. Динамические характеристики излучения ают информацию о пространственно-временных вариациях го-изонтальной составляющей вектора скорости нейтральной эмпоненты.

На защиту выносятся следующие положения и резуль-аты исследований:

1. Разработка методики генерации излучения искусственным движущимся источником в виде коротковолнового "радиозайчика" на нижней границе Д-слоя ионосферы.

2. Экспериментальное исследование характеристик излучения движущегося источника путем измерения параметров сигнала для различных значений величины и направлений скорости движения источника. Экспериментальное доказательство того, что отношение амплитуды излучения вперед к амплитуде излучения назад растет с ростом скорости движения. Сопоставление экспериментально измеренных параметров излучения с результатами численного моделирования.

3. Экспериментальное подтверждение различий в характеристиках излучения движущегося источника от аналогичных характеристик излучения неподвижного осциллятора (Эффект Гетманцева).

4. Разработка методики исследования Д-области ионосферы с использованием нормального и аномального эффектов Доплера в низкочастотном частотном диапазоне.

Достоверность полученных результатов и выводов работы определяется теоретическим обоснованием новых методов измерений, численным моделированием и независимой экспериментальной проверкой на других исследовательских стендах, например: Тромсе (Норвегия), HAARP (USA).

Личный вклад автора в проведении исследования выразился в следующем. В части проведения экспериментальных исследований при его непосредственном участии была разработана и изготовлена аппаратура автоматического управления частотой расстройки системы возбуждения усилителей мощности для независимых антенных секций стенда "Сура". Усовершенствован ряд устройств низкочастотной приемной установки. Разработаны методы обработки фазовых измерений и выполнены все основные измерения, результаты которых вынесены на защиту. Произведено численное моделирование.

Разработка методики экспериментов и интерпретация ре-ультатов, проводилась совместно с научным руководителем 5.0. Рапопортом. Переход к измерениям параметров излуче-шя при сверхсветовом движении радиозайчика предложен авто->ом. На возможность обнаружения доплер-эффектов обратил ¡нимание Б. М. Болотовский.

Проведение экспериментальных исследований по теме дис-:ертации требует обслуживания инженерного комплекса стенда 11УРА коллективом сотрудников, без помощи которых проведете экспериментальных работ было бы невозможным.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

XXIII General Assembly of the International Union of Radio sciece (URSI), Prague, Czechoslovakia, August - September,1990,

Всероссийской конференции по распространению радиоволн, З.-Петербург, 1996;

3-ей Международной школе по физике плазмы ВОЛГА-1997,

5-м Международном Суздальском симпозиуме УРСИ Мос-сва, 1998,

XIX Всероссийской научной конференции "Распростране-ше радиоволн" Казань, 1999,

а также на научных семинарах НИРФИ.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения, юдержит 60 страниц основного текста, 24 рисунка. Список датируемой литературы содержит 101 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дана общая характеристика, сформулированы

цели работы, обоснована актуальность исследований, отмечена научная новизна представленных в диссертации результатов, их научная и практическая значимость, а также дано краткое изложение диссертации.

В первой главе диссертации представлен обзор исследований нелинейных эффектов в Б-слое ионосферы связанных с эффектом Гетманцева.

В п. 1.1 кратко охарактеризованы основные физические предпосылки, которые лежат в основе механизма генерации Сигналов Комбинационных Частот. Они состоят в следующем:

— на высотах 70 км < к < 130 км располагается так называемая динамо-область, где электронная компонента плазмы замагничена (и>ие > "о шНс 11 ие — соответственно электронная гирочастота и частота столкновений с нейтральными частицами), а ионная не замагничена;

— в динамо-области существуют квазистационарные токовые системы, определяемые нейтральными ветрами (средние широты) или электрическими полями магнитосферного проис-.\ождсичя (аироршгьыые широты);

— сила трения между электронами и нейтральными частицами и электронная проводимость определяются ие, которая, в свою очередь, зависит от электронной температуры (гл. ~ Т^6). Температура электронов может изменяться под действием электромагнитных полей радиоволн КВ диапазона пропорционально их мощности.

В п. 1.2 произведен анализ исходных уравнений и возможность их упрощения применительно к рассматриваемой задаче.

В и. 1.3 рассмотрены решении линеаризованных уравнений для возмущений температуры и концентрации электронов в нижней ионосфере. Приведены результаты численных расчетов. Показано, что характерные времена изменения температуры много меньше характерных времен изменения концентрации. Поэтому, для осциллирующих возмущений с частотами больше 1 кГц возмущениями концентрации можно пренебречь.

В п. 1.4 представлены результаты расчета низкочастотных сторонних токов. Показано, что механизм генерации СКЧ основан на модуляции естественных ионосферных токовых систем.

В п. 1.5 приведено выражение для эквивалентного источника СКЧ в виде точечного горизонтального магнитного диполя, эпределяющего изотропную диаграмму направленности. Рассмотрены фазовые характеристики сигналов и соответствующие поляризационные параметры.

В п. 1.6 изложена методика и техника экспериментов с неподвижным источником. Приведены основные параметры на-гревных установок в Зименках и Васильсурске. Указаны осо-эенности НЧ аппаратуры.

В п. 1.7 приведены результаты экспериментальных исследований параметров сигнала от неподвижного источника. А именно:

— амплитуда сигнала имеет четко выраженный суточный год с максимумом в полуденные часы (в темное время суток сигнал отсутствовал);

— максимальная интенсивность сигнала обнаружена на частоте 2,5 кГц и увеличивается в магнитовозмущенные периоды;

— напряженность поля СКЧ не зависит от критической частоты Г-слоя и линейно растет с увеличением мощности передатчика;

— фала сигнала стабильна с точностью до 10 Гц.

— эффективная высота источников СКЧ лежит в пределах ГО—85 км.

— наблюдается поворот вектора магнитного поля СКЧ с юсточного направления в утренние часы к южному в послепо-туденные и к юго-западному в вечерние. Вращение происходит ю часовой стрелке. Вторая глава содержит рассмотрение теоретической модели сверхсветового "радиозайчика".

В п. 2.1 приведен обзор теоретических работ посвященных юпросам исследования излучения при сверхсветовом движении ¡арядов. Основными литературными источниками являются

работы И.М.Франка, В.Л.Гинзбурга, Б.М.Болотовского. Указана важность учета нелинейных эффектов.

В п. 2,2 рассмотрен механизм возбуждения низкочастотного излучения сверхсветовым радиозайчиком в И-с.юе ионосферы за счет кубичной нелинейности. В качестве модели "радиозайчика" использованы две радиоволны КВ диапазона с небольшой расстройкой по частоте встречающиеся под малым углом с нижней границей ионосферы. Линии равной интенсивности при этом могут перемещаться вдоль нижней границы со скоростью больше скорости света в вакууме. Роль третьей исходной волны выполняют геостационарные ионосферные токовые системы.

В третьей главе изложена методика и техника экспериментов с движущимся источником.

В п. 3.1 представлена оценка скорости движения радиозайчика, формируемого двумя пространственно разнесенными точечными источниками.

В п. 3.2 приведены результаты численного моделирования пространственно-временной структуры и пространственный спектр движущегося источника для стенда "Сура".

В п. 3.3 сформулирована задача на проведение измерений по обнаружению направленности излучения радиозайчика при сверхсветовых скоростях движения. Основой для такой постановки является несимметричная форма пространственного спектра источника.

В п. 3.4 приведены технические характеристики отдельных секций антенной системы стенда " Сура", использованные при численном моделировании пространственно-временной структуры пространственного спектра радиозайчика.

В п. 3.5 дана оценка оптимальности геометрического положения приемного пункта по отношению к треку радиозайчика.

Четвертая глава посвящена изложению главных экспериментальных результатов работы.

В п. 4.1 представлены результаты амплитудных измерений.

Цва, наиболее убедительных из них, представлены на рис.1,2.

На рис. 1 приведены примеры записи обнаруженного эффекта изменения амплитуды принимаемого излучения при смене направления движения источника. Частоты сканирования имеют значения Р — 3.0 кГц (с 1-й по 7-ю минуты) и Г = 3.4 кГц (с 8-й по 13-ю минуты). Амплитуда магнитного поля принима-змого излучения при "положительном" направлении движения источника (на наблюдателя), представленная на рисунке в относительных единицах, составляет величину Н+ ~ Ю-9 А/м. При "отрицательном" направлении движения (с 4-ой по 7-ю а с 11-й по 13-ю мин.) сигнал (Я_) уменьшался (в данном эпизоде) цо уровня внешних шумов. Сигнал регистрировался с гетеродинного выхода приемника на частоте.О 16 Гц.

На рис. 2 представлены результаты измерений отношения амплитуд сигналов на сетке частот (в одном из дневных получасовых сеансов) для двух противоположных направлений движения источника. Размер вертикальных линий соответствует точности измерений. На каждой частоте вид регистрационной записи аналогичен одному из двух представленных на рис. 4.1.1. шестиминутных интервалов. Излом в ходе кривой на частоте 7 кГц соответствует переходу скорости движения зайчика через скорость света в вакууме.

В п. 4.2 представлены результаты измерений временного хода параметров поляризации:- ориентации главной оси эллипса поляризации и степени эллиптичности. Из анализа экспериментальных зависимостей сделаны следующие выводы об осо-5енностях поведения параметров полярипации низкочастотного излучения движущегося источника по сравнению с излучением неподвижного осциллятора.

1. Степень эллиптичности излучения движущегося ионо-:ферного излучателя меньше чем неподвижного.

2. Ориентация эллипса поляризации в меньшей степени за-зисит от времени суток, чем у неподвижного.

|<—H(+) 3kHz---->|<~Н(-) 3kHz-->|<-H(+13,4kHz->|<-H(-)3,4kHz-->

отн.ед.

Бремя, мин

Рис.1

s

б

нун, 4

2

4 б S 10 12

F(kHz) Рис.2

В п. 4.3 произведено сопоставление экспериментальных дан-1ых с результатами численного моделирования. Показано, что юлученный экспериментальный материал на данном этапе ис-:ледований может быть использован, главным образом, в демонстрационных целях. Это связано, в частности, с недостаточным удалением приемного пункта от области формирования уточника излучения. Высота г ~ 70 км, удаление по горизонтали х' = х'0 ~ 25 км при длинах волн (300 -г 30) км. На столь 5лизком расстоянии не очевидна применимость аналитического засчета пространственной структуры волновых пу.чков и интерпретации величины эффектов с помощью замены реальных шертур простыми модельными источниками типа гауссоид или фямоугольников, а также асимптотических оценок на основе метода перевала, которые удобно использовать на расстояниях много больше длины волны. Поэтому, в общем случае во всем шалазоне скоростей сканирования надежнее произвести чис-генные расчеты структуры бегущей вдоль оси х интерферен-шонной картины от двух наземных антенных решеток и ее фостранственного спектра с последующей численной обратной :верткой всех возбуждаемых мод вида ехр(1К2(Кх, Ку)г).

В пятой главе обоснована возможность обнаружения нормального и аномального эффектов Доплера от радиозайчика на шжней границе ионосферы. Такая возможность представляйся благ одаря исключительно удачному взаимному расположе-шю двух уникальных радиопередающих центров - КВ стенда Сура" (НИРФИ) и находящегося на удалении 100 км от него ИДВ стенда "УТР-3", работающего в системе Эталонных Сиг-1алов Частоты и Времени. Переход к доплеровским измере-шям позволяет увеличить отношение полезного для диагно-:тики нижней ионосферы сигнала к шуму на порядок по срав-[ению с измерением параметров сигналов комбинационных ча-:тот в эффекте Гетманцева.

В заключении приведены основные результаты работы и отмечается роль финансовой поддержки Российского фонда фундаментальных исследований в выполнении завершающей ча-

схи исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработана методика генерации направленного СДВ излучения искусственным источником в виде коротковолнового "радиозайчика" движущегося вдоль нижней границы Д-слоя ионосферы со скоростью от 0.15 до 1.5 скорости света в вакууме. Методика основана на нелинейных эффектах возникающих в нижней ионосфере при воздействии на нее сканирующим лучом КВ диапазона.

2. Экспериментально исследованы свойства направленности излучения сверхсветового источника путем измерения амплитуды сигнала для различных значений величины и двух противоположных направлений скорости движения источника. Показано, что отношение амплитуды излучения вперед к амплитуде излучения назад растет с ростом скорости движения и составляет величину порядка 10 при скорости порядка 1.5 от скорости света. Показано, что экспериментально измеренные свойства направленности соответствует результатам численного моделирования.

3. На основании экспериментального исследования суточного хода параметров Стокса показано, что механизм генерации излучения движущимся источником является че-ренковским, что отличает его характеристики от аналогичных характеристик сигнала от неподвижного осциллятора (Эффект Гетманцева).

4. На основе сопоставления результатов экспериментальных исследований с теоретическим анализом эффектов Вавилова-Черенкова и Доплера проведенным в работах И.М.Франка, В.Л.Гинзбурга, Б.М.Болотовского разработана методика исследования Д-области ионосферы с использованием нормального и аномального эффектов Доплера в частотном диапазоне 15-35 кГц.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гетманцев Г. Г., Зуйков Н. А., Котик Д. С., Миронен-ко J1. Ф., Митяков H.A., В.О.Рапопорт., Сазонов Ю.А., Трахтенгерц В.Ю., Эйдман В.Я. Обнаружение комбинационных частот при взаимодействии мощного коротковолнового излучения с ионосферной плазмой. Письма в ЖЕТФ, том 20, вып. 4, 1974, стр.229-232.

2. Гетманцев Г.Г., Будилин A.B., Котик Д.С., Мироненко Л.Ф., Митяков H.A., В.О.Рапопорт., Сазонов Ю.А., Васильев А.И. Измерение в двух пунктах сигналов комбинационных частот возбуждаемых КВ-передатчиком в ав-роральной ионосфере. В кн.: Исследование ионосферы и магнитосферы методами активного воздействия. Апатиты,1977, стр. 30-31.

3. Будилин A.B., Котик Д.С., Мироненко Л.Ф., Рапопорт В.О., Сазонов Ю.А. Измерение параметров поляризации искусственных ОНЧ сигналов. В кн. XII Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Тезисы докладов 4.1. Томск, 1978, стр.120-121.

4. Котик Д.С., Мироненко Л.Ф., Митяков С.Н., Рапопорт

B.О., Солынин В.А., Тамойкин В.В. О возможности формирования сверхсветового источника черенковского излучения с помощью эффекта Гетманцева.В кн. Модификация ионосферы мощным радиоизлучением Тез. докл. между-нар. симп. Суздаль, 1986. Стр. 91-92.

5. Мироненко Л.Ф., Рапопорт В.О., Котик Д.С., Митяков

C.Н. Излучение искусственных сверхсветовых неоднород-ностей нижней ионосферы. Изв.ВУЗов. Радиофизика, 1998. Т.41. Стр.298-312.

6. Мироненко Л.Ф., Рапопорт В.О., Котик Д.С. Спектральные характеристики излучения Вавилова-Черенкова и до-

плеровеких сигналов от сверхсветового радиозайчика в нижней ионосфере. XIX Всероссийская научная конференция "Распространение радиоволн" Тезисы докладов. Казань, 22-25 июня 1999г. Стр.370-371.

7. Рапопорт В.О., Мироненко Л.Ф., Митяков С.Н., Трахтен-герц В.Ю. Исследование пространственно-временной структуры внутренних гравитационных волн в нижней ионосфере с помощью нагревных стендов. Геомагнетизм и аэрономия. 1995. т.35. N 3. Стр.55-62

8. Рапопорт В.О., Котик Д.С., Мироненко Л.Ф., Митяков С.Н. Экспериментальные исследования низкочастотного излучения движущегося ионосферного источника.

Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1994., Т.37., Стр.783-792.

9. Мироненко Л.Ф., Рапопорт В.О., Котик Д.С., Митяков С.Н. Излучение неоднородностей нижней ионосферы, движущихся со скоростью, большей скорости света в вакууме. XVIII Всероссийская конференция по распространению радиоволн. 17 - 19 сентября 1996 г. С.Петербург. Тезисы докладов.

10. Бабиченко А.М. Котик Д.С., Митяков С.Н., Мироненко Л.Ф., Рапопорт В.О., О возможности использования эффекта генерации электромагнитных сигналов комбинационных частот в ионосфере для исследования динамики ме-зосферы. //Неустойчивости и волновые явления в системе ионосфера- термосфера / ИПФ АН СССР, Горький, 1989, Стр.71-83 (Материалы международного симпозиума Калуга, 6-10 февраля 1989 г.)

11. D.S.Kotik, L.F.Mironenko, V.O.Rapoport. Ground Based Monitoring of Ionspkeric Currents by Measurements of Radiation Parameters of Artificial Ionospheric Cherenkov Source. XXIII General Assembly of the International Union of Radio

Sciece (URSI), Prague, Czechoslovakia, August - September, 1990, Abstracts, vol. 1, p. 178.

12. A.M.Babichenko, N.I.Belova, D.S.Kotik, L.F.Mironenko, V.O.Rapoport. Mesospheric turbulence appearance in variations VLF parameters of artificial radiation generated by powerful HF radiation XXIII General Assembly of the International Union of Radio Sciece (URSI), Prague, Czechoslovakia, August - September, 1990, Abstracts, vol. 1, p. 169.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Условные обозначения 4

Введение 5

ГЛАВА I. Обзор теоретических и экспериментальных результатов по эффекту генерации Сигналов Комбинационных Частот неподвижным осциллятором (Эффект Гетманцева) 18

1.1 Основные физические предпосылки.......... 18

1.2 Постановка задачи. Исходные уравнения...... 19

1.3 Возмущения нижней ионосферы под действием КВ-

радиоизлучения.................... 22

1.4 Расчет низкочастотных сторонних токов...... 24

1.5 Диаграммные и поляризационные характеристики

излучения неподвижного источника........ 26

1.6 Методика и техника экспериментов с неподвижным

источником. КВ и НЧ аппаратура......... 28

1.7 Результаты экспериментальных исследований па-

раметров сигнала от неподвижного источника . . 30

ГЛАВА II. Теоретическая модель сверхсветового "радиозайчика" 37

2.1 Обзор теоретических работ.............. 37

2.2 Нелинейный механизм возбуждения излучения сверх-

световым радиозайчиком в D-слое ионосферы . . 40

ГЛАВА III. Методика и техника экспериментов с движущимся источником 45

3.1 Независимое возбуждение двух разнесенных КВ

излучателей. Смена направления сканирования. . 45

3.2 Пространственно-временная структура и спектраль-

ные характеристики движущегося источника. Результаты численного моделирования........ 50

3.3 Постановка задачи на проведение измерений .... 55

3.4 Технические характеристики независимых секций

антенной системы стенда "Сура".......... 60

3.5 Приемный пункт .................... 65

ГЛАВА IV. Результаты экспериментальных исследований излучения "радиозайчика" 70

4.1 Амплитудные измерения................ 70

4.2 Поляризационные измерения............. 75

4.3 Дискуссия..............................80

ГЛАВА V. Нормальный и аномальный эффекты Доплера от радиозайчика на нижней границе ионосферы 85

5.1 Физические предпосылки. Приложения к нижней

ионосфере ....................... 85

5.2 Технические возможности экспериментального ком-

плекса .......................... 90

Заключение 92

Литература 95

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"(НИРФИ). 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 1980 г. в Государственный реестр открытий был занесен новый эффект под номером 231. Эффект получил имя Гетманцева как один из наиболее интересных и важных результатов, полученных в целом ряде экспериментов по исследованию нелинейных свойств ионосферы, обнаруженных при облучении ее мощным модулированным КВ радиоизлучением при неподвижной диаграмме направленности. Дальнейшим развитием этих исследований стало обнаружение излучения нижней ионосферы при облучении ее смодулированным К В 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 - Б-слое.

В результате возникло и интенсивно развивается новое научное направление физики околоземного космического пространства, основанное на эффектах нелинейного взаимодействия мощных радиоволн К В 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 низкочастотного излучения от движущегося радиозайчика в диапазоне скоростей движения от 0.15 до 1.5 скорости света в вакууме. Это позволило разработать новый метод диагностики Б-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 не-однородностей,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.

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 о>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 иоi ± 2lo-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 ьо\ ± 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 lû\ ± а>2.

Тем не менее, интерес к сигналам в КНЧ диапазоне был настолько велик, что первые эксперименты были проведены с целью обнаружения сигналов на частотах и)\ — и>2. Как отмечено в обзоре [13], Действительность превзошла все ожидания.". Сигнал на разностной частоте = и>1 — о>1,2 в диапазоне 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 Ю-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 ^'о, постоянно присутствующими на высотах динамо-области в ионосфере (/г = 70 —130 км). Источником этих токов являются ветры в средних и низких широтах (так называемые '^-токи1 [6, 79]. и электрические поля маг-нитосферного происхождения в высших широтах. Под воздействием нагревного КВ передатчика возникает модуляция ионосферной проводимости на разностной частоте и, как следствие, ток 70, 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 амплитуды СКЧ с интенсивностью и местоположением аврораль-ной токовой струи. Дальнейшие исследования как у нас в стране [51, 5, 52, 54], так и за рубежом [94, 95, 88, 90, 96] показали большое многообразие и широкомасштабность обнаруженного явления.

Таким образом, в настоящее время считается, что в основе механизма генерации СКЧ лежат следующие физические предпосылки: на высотах 70 км < /г < 130 км располагается так называемая динамо-область, где электронная компонента ионосферной плазмы замагничена (а;#е > г/е, сине и ие — соответственно электронная гирочастота и частота столкновений с нейтральными частицами), а ионная не замагничена; в динамо-области существуют квазистационарные токовые системы, определяемые нейтральными ветрами (средние широты) или электрическими полями магнитосферного происхождения (авроральные широты); сила трения между электронами и нейтральными частицами определяется которая, в свою очередь, зависит от электронной температуры (ие ~ Те5/6).

1.2. Постановка задачи. Исходные уравнения

Для расчета эволюции характеристик среды и токов на комбинационной частоте использовалась система уравнений, описывающая процессы в области возмущенной ионосферной плазмы в квазигидродинамическом приближении. Эта система включает в себя уравнения движения электронов и ионов, уравнения непрерывности, уравнение теплопроводности и уравнения Максвелла для электрического и магнитного полей. Кроме того, использовалось уравнение переноса энергии для КВ волн.

В намагниченной слабоионизованной плазме с заданным движением нейтральной компоненты уравнения движения для электронов и ионов можно записать в виде [26] вУе еЕ е г- - \ У7УГе =----К . Я 1/е (Уе - Кг)--, (1.2.1 аъ т тс 1 4 ' тг\ еЕ е

У - Н сИ М тс 1 1V г т) МТУ ' —* где Е и Н — электрическое и магнитное поля, т и М — масса соответственно электрона и иона, ие и щ -— частоты соударении электронов и ионов с нейтралами УеуУ^Ут — скорости движения заряженных частиц (е, г) и нейтральной компоненты (ш), Те и Т{ — температуры электронов и ионов, N — электронная концентрация. В уравнениях (1.2.1)—("1-2.2) учтено условие квазинейтральности Д, = = N. В Б-слое ионосферы на высотах /г ^ 70 км существенную роль начинают играть отрицательные ионы и ионы-связки. Более подробно этот вопрос рассмотрен в

Уравнения движения следует решать совместно с уравнениями непрерывности и теплового баланса. Эти уравнения в условиях нижней ионосферы можно записать следующим образом:

9АГ дь

С} - аЛГ - сНУ ИУф (1.2.3) ~ - (Ге - Тт) + V« УГе, (1.2.4) дЬ Зд(и2£')/ди - ' к 1 где (2 — функция ценообразования, а — коэффициент рекомбинации, IV — плотность энергии КВ волн, е' = (её' е*), е" = (её" е*), е — вектор поляризации, ё' и ё" — эрмитова и антиэрмитова части тензора диэлектрической проницаемости электронов на частоте волны накачки, 8 — доля энергии, теряемая электроном при одном соударении с тяжёлой частицей, тензор теплопроводности ае = Ае , где А =--—.

Входящая в (1.2.4) плотность энергии IV определяется уравнением переноса + = (1.2.5) где Угр — групповая скорость.

Низкочастотные электрическое и магнитное поля подчиняются уравнениям Максвелла

4тг ^ 1 дЁ , гotЯ-—л-- —, 1.2.6 с с оЬ ЮН ,

---— , 1.2.7 с дЬ v ' где полный ток з — еТУ (Ц, — Уе).

Система уравнений (1.2.1)—(1.2.7) полностью определяет возникающие в ионосфере и в волноводе Земля-ионосфера низкочастотные электромагнитные поля. При этом считаются заданными движение нейтральной компоненты и постоянное электрическое поле в ионосфере, а также плотность энергии волны накачки п на входе в ионосферу. Применительно к условиям нижней ионосферы система уравнений (1.2.1)—(1.2.7) может быть существенно упрощена. Эти упрощения обусловлены тем, что для масштабов возмущений Ь > 10 км в уравнениях (1.2.1)—(1.2.4) можно пренебрегать членами, характеризующими силу давления, диф-' фузию и теплопроводность.

1.3. Возмущения нижней ионосферы под действием КВ-радиоиз лучения

Изменение структуры ионосферных токов под действием КВ-радиоиз лучения связано с возмущениями электронной температуры и концентрации плазмы, которые определяются параметрами греющей установки (мощностью, несущей частотой, диаграммой направленности) и характеристиками нижней ионосферы. Для расчета этих возмущений необходимо решать самосогласованную систему уравнений, включающую в себя уравнение непрерывности (1.2.3), уравнение баланса тепла (1.2.4) и уравнение переноса (1.2.5) для КВ-волны. При учёте всех реальных факторов (нестационарный нагрев, сильный нагрев, неоднородность среды и т.д.) эта система допускает только численное решение на ЭВМ (см., например, [44]). Основные качественные закономерности можно выяснить на упрощенных моделях среды или для некоторых асимптотических значений параметров воздействия [73], которые допускают аналитические расчёты возмущения параметров нижней ионосферы. В частности, в качестве такой модели можно взять однородную ионосферу с резкой нижней границей, где электронная концентрация ЛГе и электронная частота соударений е не зависят от высоты. Пренебрежём также стационарным возмущением электронной концентрации. Строго говоря, это оправдано в период времени At < тп после включения нагрева (п — характерное время изменения электронной концентрации, на высотах /г « 70 90км тп ~ 102 103 с). Тогда, для у слабого нагрева (|Е0| < Ер, Ео — амплитуда нагревного поля, Ер — характерное плазменное поле [40]) выражение для осциллирующего возмущения температуры имеет вид (см. [47]) ^ = ~~агс^ 2б2г/2 + О? ' (ЬЗЛ)

Здесь — амплитуда осциллирующего возмущения электронной температуры, £ — стационарное возмущение Те, ¡3 — глубина модуляции КВ-радиоизлучения (по амплитуде), <р — разность фаз между колебаниями Те и КВ-излучения. При £1 <С 26и выражения (1.3.1) для амплитуды и фазы соответственно можно упростить: ш; Ч> = - агс^—(1.3.2) (82р2 + О2)1 Ьу

Осциллирующие возмущения могут быть подавлены по сравнению со стационарными возмущениями из-за инерции нагрева (характерное время тт = {б^у1). Используя уравнение непрерывности (1.2.3), которое при пренебрежении процессами переноса имеет вид

1.3.3) методом возмущении несложно вычислить относительное изменение электронной концентрации

Отметим еще раз, что характерные времена нагрева и изменеличны. Для нижней ионосферы тт ~ (0,1-4-1) мс, т# ж (104-Ю3) с. То есть на частотах ОНЧ диапазона (^ > 1 кГц) осциллирующими возмущениями Ме можно пренебрегать. Эти возмущения могут быть существенны только на частотах диапазона геомагнитных пульсаций.

Учет неоднородности среды важен для расчета стационарных возмущений параметров нижней ионосферы. В частности, появляется зависимость величины возмущений от несущей частоты воздействия.

В заключение данного раздела приведем примеры (рис. 1.3.1, 1.3.2) численных расчетов стационарных возмущений температуры электронов по формулам (1.2.4), (1.2.5) для модели ионосферы, приведённой в [40] и для нагревной установки в г. Горьком (мощность Р ж 100 кВт, коэффициент усиления антенны (? « 100, несущая частота / « 4,6; 5,75 МГц). Используя рис. 1.3.1, и формулы (1.3.1), (1.3.4) несложно вычислить высотные профили осциллирующих возмущений Те и УУе.

1.3.4) ния электронной концентрации тдг = (2а7Уо) 1 существенно раз

Рис. 1.3.1. Нагрев нижней ионосферы (слева - день, справа - ночь)

Рис. 1.3.2. Зависимость относительных возмущений электронной температуры от несущей частоты нагревного стенда на трех фиксированных высотах. а) день (1 - Ь = 70 км; 2 - Ь = 80 км; 3 - Ь =100 км) б) ночь (1 - Ь = 70 км; 2 - И = 90 км; 3 - И = 110 км) Эквивалентная мощность Р в = 30 МВт, волна необыкновенной поляризации.

1.4, Расчет низкочастотных сторонних токов

Впервые механизм генерации СКЧ, основанный на модуляции естественных ионосферных токовых систем, был предложен в оригинальных работах [28, 47, 102]. В цитируемых работах в качестве причины модуляции ионосферного тока рассмотрены соответственно возмущения электронной концентрации (за счет температурной зависимости коэффициента диссоциативной рекомбинации, см. [41]) и электронной температуры (или, говоря более физическим языком, силы трения между электронами и нейтралами).

В работах [59, 93, 23, 2] приведены расчёты источников СКЧ для различных моделей ионосферы и различных частотных диапазонов. Во всей цитируемой литературе для расчёта низкочастотных ионосферных токов используется метод возмущений. Полагается, что как стационарные, так и осциллирующие возмущения параметров ионосферы малы по сравнению с невозмущёнными значениями.

Для расчёта низкочастотного ионосферного тока перепишем уравнения движения (1.2.1)—(1.2.2) в предположении, что частота модуляции П мала по сравнению с электронной и ионной частотами столкновений ^ и гирочастотой сине

-еЁ0 -еЕЛ- тиеУт - - \УеН0} - гш/Д = 0, (1.4.1) с 1 еЕ0 + еЕ + Ми{Ут + - [^#<,1 - Мь>№ = 0, с 1 -1 где в соответствии с замечаниями раздела 2 мы пренебрегли градиентом давления и выделили в явном виде стороннее Ёо и искомое Ё электрические поля. Из уравнений (1.4.1) можно определить связь между плотностью тока и полем ; —*

Зе = сге£е] 3\=сг1£1, (1.4.2) где ее = Ё + Ё£\ ?1 = Ё + Ё&\ (1.4.3) Я, => = Е0--Ут- Е ^ = Е0--- Ум, е е ае, <У{ — тензоры электронной и ионной проводимости, выражения для которых можно найти, например, в [26]. Входящие в <те параметры ^ (электронная температура и концентрация) при воздействии на ионосферу модулированным радиоизлучением будут иметь слагаемые, осциллирующие с частотой модуляции §1. В данном разделе мы предполагаем возмущения параметров среды заданными. Рассмотрим случай £ = щ. Используя явные выражения для <те ^ а также (1.4.1), в рамках теории возмущений по малому параметру —-- 1, формулу для jVr.fi мож

V? но записать в виде (магнитное поле направлено по вертикали н0||г°) и=3^(Щ ; к = & = —(1.4.4)

1 +Ре2 V 1Уе /п ^е V

1.4.5)

Ут средние широты,

Яо (1.4.6) с —, авроральные широты. у ' Щ

Азимутальный угол, характеризующий ориентацию ¿СТ в горизонтальной плоскости,определяется формулами

771 IS е -> е V т •

1.4.7)

Угол ф отсчитывается от направления ЕСТ. Как следует из (1.4.7) —¥ jCT имеет спиральную структуру с полным поворотом на 180° при прохождении по высоте области ¡Зе — 1. Этот результат определяет эллиптическую поляризацию горизонтального магнитного поля на Земле (см. рис. 1.4.1).

Согласно [40] ve ~ Те5/6, то есть —- = - При относите б Те тельно плавном изменении концентрации и АТе/Те с высотой максимум |jCT| приходится на высоту h « 70км (f3 ^ 1). На рис. 1.4.2 приведён пример численного расчёта высотного профиля модуля низкочастотного тока. При расчётах использованы рис. 1.3.1 и формулы (1.4.4 1.3.2).

Выше изложена методика расчёта источников СКЧ при возмущениях Те. При этом характерные оптимальные частоты генерации определяются характерным временем инерции нагрева тт = (8и)~1 мс: (h ^ 70км), то есть F ^ 1 кГц (ОНЧ-диапазон).

Сторонний ток, определяемый возмущениями концентрации плазмы, даёт малый вклад в полный источник СКЧ в диапазоне ОНЧ, в силу уже отмечавшегося большого различия характерных времен изменения концентрации и температуры в нижнеи ионосфере.

Интегрируя выражение (1.4.4) по объему засветки ионосферы

Е, ^

14;.

77777777777777777777777777777? I н. ь-ьХ*^)

Ионосфера пшншшшштР а.

Земля о о 0 ^^ я*

11 (р)

6)

Рис. 1.4.1. а) механизм формирования эллиптической поляризации СКЧ, Ь5 - Ь1 - тощина скин-слоя. б) зависимость поляризации от эффективной высоты источника.

Рис. 1.4.2. Пример расчета высотного профиля низкочастотного ионосферного тока. мощным радиоизлучением и используя уравнение баланса энергии электронов (1.2.4), несложно получить полный токовый момент стороннего ионосферного источника - 2eVP Ia = /¿ndr = —;-. (1.4.8)

J 6кЫеиНе

Здесь Р — мощность нагрева D-области, е — заряд электрона, 6 — доля энергии, передаваемая электроном при соударении с нейтральной частицей. При получении (1.4.8) использовано, что 6 = const (Те), тт < 2п/О. (Q — частота модуляции), пренебре-жено Q вкладом в jn в области высот Z < Zq = 70 км. Из (1.4.8) следует, что полный токовый момент ионосферного источника определяется только скоростью ветра (или скоростью электродинамического дрейфа) и мощностью нагревной установки и не зависит от профиля электронной концентрации. Строго говоря, в произвольном случае вклад в поле на Земле будет давать лишь часть токового момента (1.4.8), расположенная на нижней кромке ионосферы, с толщиной порядка толщины скин-слоя. Однако при использовании оптимальных несущих частот щ и для достаточно низких частот модуляции эффективный токовый момент практически совпадает с (1.4.8).

1.5 Амплитудные и поляризационные характеристики излучения неподвижного источника

Задача расчета полей на Земле от источников, расположенных на нижней кромке ионосферы, рассмотрена в работах [9, 11, 49, 50, 64, 57]. Важное место, особенно с точки зрения сопоставления теории с экспериментом, здесь занимают вопросы изучения полей в ближней зоне источников. Распределенный ионосферный ток с точки зрения наземного наблюдателя может быть заменен эквивалентным источником, расположенным на нижней кромке ионосферы. Оказывается, что в случае /г >> 8а [Н — высота вакуумного промежутка, 6а — скин-слой в ионосфере) эквивалентным источником является магнитный диполь с моментом

М — I £631 (1.5.1) — характерный горизонтальный размер пятна засветки.

Оценку полей на Земле под источником можно сделать по классическим формулам для электромагнитного поля от точечного магнитного диполя (1.5.1). Существенное влияние на структуру спектра искусственного ионосферного источника должны оказывать поперечный резонанс волновода Земля - ионосфера, а также ионосферный и магнитосферный альфвеновские резонаторы. Однако форма диаграммы направленности, а именно её изотропный вид в горизонтальной плоскости, определяются источником вида (1.5.1). К тем же выводам можно прийти, используя подход, основанный на разложении полей и источника в спектр по поперечным (горизонтальным) пространственным гармоникам. Иллюстрацией такого подхода может служить рисунок 2.2.2 из главы 2, где необходимо положить- базу <1 между секциями на-гревного стенда равной нулю.

В эксперименте обычно измеряются горизонтальные компоненты низкочастотного магнитного поля. Абсолютная фаза (относительно сигнала модуляции мощного передатчика) какой-либо компоненты ближнего магнитного поля включает в себя следующие слагаемые: фазовый набег щ на трассе Земля - нижняя граница ионосферы; сдвиг фазы обусловленный инерционностью нагрева; фазовый набег щ в ионосфере; фазовый набег 993 за счет многократных переотражений волн от Земли и ионосферы. На частотах Р > 1кГц максимальный вклад дает (р0. Фазовый набег (ро является одним из основных факторов, определяющих эллиптическую поляризацию горизонтального магнитного поля. Легко понять, что спиральная структура тока (рис. 1.4.1) с учетом конечной толщины скин-слоя по вертикали также приводит к эллиптической поляризации. Большая ось эллипса поляризации с увеличением высоты источника поворачивается против часовой стрелки (с точки зрения наблюдателя, смотрящего с Земли на ионосферу) в соответствии с поворотом вектора тока. Кроме изменения ориентации источника с высотой и временем суток на поляризацию СКЧ могут оказывать влияние особенности распространения низкочастотных волн в анизотропной ионосфере.

1.6. Методика и техника экспериментов с неподвижным источником. КВ и НЧ аппаратура

Как отмечалось во введении, исследования СКЧ проводятся на ряде стендов. Наиболее полные данные получены на Нижегородских стендах, где наблюдения проводятся с 1973 г. Поскольку методика и техника экспериментов на различных стендах имеет много общего, то ограничимся описанием методических особенностей лишь нижегородских экспериментов и тех из них, которые необходимы для сопоставления с соответствующими результатами экспериментов с движущимся источником.

Традиционная схема эксперимента по генерации сигналов комбинационных частот изображена на рис. 1.6.1. Передатчик КВ диапазона воздействует узким лучом модулированного по амплитуде радиоизлучения на ионосферу. Первые эксперименты были поставлены с помощью коротковолнового передатчика, расположенного на полигоне Зимёнки (вблизи г. Горького, ныне Н.Новгорода) мощностью Р = 150кВт. Работа велась на двух фиксированных частотах (f = 4,6 МГц или / = 5,75 МГц) со 100-процентной амплитудной модуляцией. Частота модуляции варьировалась в пределах (1 Ь 10) кГц. Антенна передающего устройства имела вертикальную диаграмму направленности с коэффициентом усиления (7 = 100 (для / = 4,6 МГц) или <2 = 150 (для / = 5,75 МГц) и обеспечивала возможность излучения волн левой и правой круговой поляризации.

С начала 80-х годов был введен в строй стенд "Сура" на полигоне НИРФИ в Васильсурске (см. табл. 1).

В первых экспериментах прием ОНЧ сигналов в диапазоне 18 кГц проводился на рамочную дельта-образную антенну с эффективной площадью Seff = пБ = 3600 м2 (5 = 60 м2 — физическая площадь рамки, п = 60 — число витков). Рамка была помещена в электростатический экран. Принятые сигналы усиливались широкополосным антенным усилителем с полосой 1-8 кГц и чувствительностью 109в/л/Гд. Антенна с антенным усилителем выносились на расстояние порядка 100 м от остальной измерительной и регистрирующей аппаратуры во избежание па

Место расположения, геомагнитная широта, год начала экспериментов

Мощность передатчиков (кВт)

Антенны

Диапазон (МГц)

Горький (3имении) 51" N ¡973

Мончегорск 67° N 1076

Трёмсё (Норвегия) 67° N 1980

Горький, «Сура>

Васильсурск)

51° N

1982

1985

Москва 51° N 1982

Лресибо (Пуэрто-Рико)

32° N

1982 * Джакамарко

Перу)

0°

1983

150

80

12х 120 х 250

200 80

800

350 (км п.)

4.62 5,75

3.3

2,5 + 8

00 150

130 240

4,5+9 ; 200 + 400

1,2—1,5 1,35

3—12

50

100

200 + 400

15000

Таблица 1

Эквивалентная мощность излучения (МВт)

Основные результаты

15 22,5

10 350

150 + 320 7 8

160+300

5547 (имп.) 270 (средняя)

Открытие эффекта Гет.чанцева [6], локализация высоты источника [10}, исследование поляризации СКЧ. Первые наблюдения искусственных гсо-магннтных пульсаций [']

Установление прямой зависимости от параметров полярной электроструи [и]

Исследование динамики спектров СКЧ в возмущенных условиях, зависимость от мощности ["]. Обнаружение мощных сигналов в КПК. диапазоне {"]

Исследование динамических спектров амплитуды, фазы и поляризации СКЧ ["], исследование зависимости от параметров установки ["}, исследование спектров СКЧ в диапазоне кпк

Обнаружений в средних широтах СКЧ в ночных условиях, сравнение с КВ нагревом ["]

Проведены первые исследования СКЧ п низких широтах, проверена линейная зависимость от мощности ["]

Модуляция экваториальной электроструи ["] пгЛ1 V м

Рис. 1.6.1. Схема эксперимента по измерению характеристик СКЧ при неподвижной диаграмме КВ передатчика. Еш - высокочастотная волна накачки с амплитудной модуляцией, Еп - низкочастотное излучение на частоте модуляции О, Ей - квазистационарное динамо-поле (Ут - скорость нейтрального ветра, Н0 - земное магнитное поле), Лд - низкочастотный ионосферный ток. разитных связей между входом и выходом при общем коэффициенте усиления более 106. В дальнейшем была сконструирована и изготовлена более совершенная антенная система, состоявшая из двух ортогональных рамочных антенн с эффективной площадью 8ец = N3 = 4000 м2 каждая (5 = 200 м2 — физическая площадь рамки, N = 20 — число витков). Эта антенная система позволяла измерять горизонтальные компоненты магнитного поля СКЧ. С антенн сигнал поступал, как и раньше, на широкополосные предусилители с полосой Е = 8 кГц и ослаблением вне рабочего диапазона 80 дБ на октаву. Затем сигнал гетеродиниро-вался на частоту Е = (0,01 -г 0,02 Гц) и усреднялся с постоянной времени Т\ = 4 с или Т> — 16 с. Регистрация сигнала производилась на ленте самописца в виде синусоиды на гетеродинирован-ной частоте, а амплитуда пропорциональна напряженности поля принимаемого сигнала.

Пример записи сигнала на самописце [28, 47] приведён на рис. 1.1.1. Чувствительность приёмника при постоянной времени Т\ = 4с составляла (Ю~10 10~9)А/м в диапазоне частот (1,5 -т- 5) кГц. Относительная нестабильность частоты модуляции передатчика и частоты гетеродина приёмника не превышала (Ю-7-МО"8). Калибровка амплитуды проводилась с помощью калибровочного низкочастотного сигнала, подаваемого на вход приёмника. С этой целью в антенну включены калибровочные сопротивления, которые по величине много меньше активного сопротивления антенны. Для получения малых значений калибровочного сигнала [IIк ~ 10"9в) применялись два внешних делителя, первый у генератора и второй у антенны. Ьлок-схема приемной аппаратуры, включая цепь калибровки, изображена на рис. 1.6.2. Калибровка абсолютной фазы производилась сравнением низкочастотного сигнала комбинационной частоты с проде-тектированным КВ сигналом, распространяющимся земной волной, или с сигналом,транслируемым из передающего пункта по вспомогательному УКВ каналу.

Напряжение С/, которое регистрировалось на входе приёмника, пропорционально магнитному полю СКЧ и равно

U = £ е1ф = ÍüüjjoNSH [А/м], (1.6.1) где NS — эффективная площадь рамки, /jlq = 4 • 10-7Гн/м, ü = 2ttF — частота принимаемого сигнала, 8 — амплитуда, ф — разность между фазой модуляции передатчика и фазой принимаемого низкочастотного сигнала.

Для измерения поляризационных характеристик сигналов комбинационных частот необходимо наличие двух ортогональных рамочных антенн Al и А2, и идентичных приёмных трактов. Здесь информация об абсолютной фазе не нужна; требуется измерить амплитуды £] , и 82 сигналов с ортогональных антенн, а также разность фаз между ними: Аф = — ф>2- Зная величины E-i и Аф, можно найти поляризационные параметры пришедшего сигнала. Поляризация сигнала полностью определяется тремя параметрами Стокса: интенсивностью /, ориентацией X и отношением полуосей р эллипса поляризации. Связь между этими параметрами и величинами £2, ^Ф устанавливается ч

Рис. 1.6.2. Блок-схема приемной аппаратуры. следующими формулами [42]:

1 = е? + еЬ (1.6.2)

Аф

Р = tg ^ АгСБШ {28182 БШ

2 \ ¿1 + ЙГ

X = - Аг^ —~ +

1 2^1 соэ Аф 7г соэ д-0 / — ^ 1

2 ь £¡-8% 4 | сое Аф\ \ 1^1-^21/' Здесь % — угол между плоскостью антенны А1 и большой полуосью эллипса поляризации. Направление вращения векторов поля характеризуется знаком р. Параметр р определён так, что р < 0 соответствует вращению вектора поляризации против часовой стрелки. Таким образом, используя (1.6.1, 1.6.2), можно определить все основные характеристики СКЧ — высоту их источников, поляризацию и амплитуду полей.

По такой схеме проводились практически все эксперименты по исследованию характеристик сигналов комбинационных частот в непосредственной близости от передатчика, менялись лишь способы регистрации параметров СКЧ по мере совершенствования методики измерений и развития автоматизации эксперимента,

При проведении измерений в ОНЧ диапазоне необходимо принимать во внимание наличие индустриальных помех от гармоник сети, кратных 50 Гц, наводимых на ОНЧ антенну линиями электропередач, и наводок от сетей радиотрансляции.

Радикальным методом борьбы с индустриальными помехами является удаление от источников помех. При этом приемная аппаратура должна быть удалена на расстояние в 40-60 км от высоковольтных линий передач и хотя бы на 1км от ближайших линий сельской электросети.

В связи с указанным обстоятельством исследования явления генерации СКЧ носили экспедиционный характер. При проведении первых экспериментов по обнаружению СКЧ вся аппаратура была, смонтирована в автомобиле ЗИЛ-157 и питалась от аккумуляторных батарей.

1.7 Результаты экспериментальных исследований параметров сигнала от неподвижного источника

В результате прямых экспериментов по обнаружению ионосферных СКЧ, проведенных в Горьком осенью 1973 и зимой 1974 г., был выявлен ряд важных свойств СКЧ, а именно: амплитуда сигнала имела четко выраженный суточный ход с максимумом в полуденные часы (в темное время суток сигнал отсутствовал); максимальная интенсивность сигнала наблюдалась на частоте 2,5 кГц п увеличивалась в магнитовозмущенные периоды: напряженность поля СКЧ не зависела от критической частоты F-cлoя и линейно росла с увеличением мощности передатчика; фаза сигнала была стабильна, с точностью до 10 Гц.

Важным этапом в исследованиях СКЧ явилось измерение эффективной высоты ионосферного источника [21]. Как уже отмечалось в разд. 1.6, по фазовой задержке СКЧ по отношению к опорному сигналу, передаваемому в точку приема по УКВ тракту, удается определить высоту расположения ионосферного излучателя. Такого рода эксперименты были поставлены в Горьком в 1975-76 гг. Передатчик модулировался синусоидальным сигналом последовательно на 24 фиксированных частотах в диапазоне Р = 1,25-т- 7 кГц. Полный цикл измерений составлял 2 часа. Приём низкочастотных сигналов проводился на б км севернее коротковолнового передатчика на рамочную антенну, плоскость которой была ориентирована в восточно-западном направлении. В приёмной аппаратуре низкочастотный сигнал гетеродиниро-вался на частоту 0,03 Гц и регистрировался самописцем. Для измерения фазы низкочастотного сигнала проводилась запись продетектированного КВ сигнала, распространяющегося земной волной. Для каждого сеанса, строилась зависимость фазового запаздывания от частоты. Эффективная высота Н определялась по формуле передатчиком и приёмником (см. рис. 1.6.1.), (I <С к.

На рис. 1.7.1. представлен пример зависимости фазы от частоты за период 16-18 июля 1975 г. Как видно из рисунка, эта зависимость линейная. Эффективная высота определяемая тангенсом угла наклона прямой на рис. 1.7.1., в данном случае составила 72,5 ± 2 км. В результате этого эксперимента было установлено, что эффективная высота источников СКЧ лежит в пределах 7085 км.

В том же пункте в июле 1976 г. был проведен эксперимент по где £ = сдф/дй, с — скорость света, (1 — расстояние между

Рис. 1.7.1. Зависимость фазы СКЧ за три дня (16-18 июля 1975 г.) измерение ориентации эллипса поляризации СКЧ [31]. Передатчик работал на шести фиксированных частотах модуляции, лежащих в диапазоне (1,5-г 5) кГц. В течение 10-минутного сеанса рамочная антенна поворачивалась на 180° с шагом 18°. Минимальное значение амплитуды сигнала должно наблюдаться при такой ориентации антенны, когда большая ось эллипса поляризации попадает в плоскость рамки. Этому моменту должна, соответствовать максимальная скорость изменения фазы СКЧ. Последнее обстоятельство использовалось в эксперименте для определения ориентации эллипса поляризации. Для измерения фазы низкочастотный сигнал, регистрируемый самописцем, сравнивался с отдетектированным КВ сигналом, распространяющимся земным лучом. Результаты обработки приведены на рис. 1.7.2., где по оси абсцисс отложено время (МСК), а по оси ординат — угол, определяющий направление большой оси эллипса поляризации волны (0° соответствует направлению на север). На рисунке сведены результаты по всем частотам модуляции. Как следует из приведённых данных, наблюдается поворот вектора магнитного поля СКЧ с восточного направления в утренние часы к южному в послеполуденные и к юго-западному в вечерние. Вращение происходит по часовой стрелке.

В этом же пункте в августе-сентябре 1977 г. были проведены эксперименты по измерению поляризации СКЧ с помощью двух ортогональных рамочных антенн, плоскости которых были ориентированы в северо-южном и восточно-западном направлении [22]. Результаты измерений представлены на карте северной поч

90 О X

УС

У у * х X X X * X

X *

X.

Л-1

I.

00 ЩОО два ^ОР тдт

Рис. 1.7.2. Суточное вращение плоскости поляризации СКЧ. лярнон проекции (рис. 1.7.3.). Здесь видны ориентация, тип поляризации, относительные размеры и приближенная форма эллипса поляризации, найденные с помощью формул (1.6.2). Как-видно из рис. 1.7.3. в полуденные часы поляризация эллиптическая, направление вращения вектора поляризации соответствует распространяющейся в ионосфере свистовой моде. В вечерние и утренние часы поляризация близка к линейной. Направление главной оси эллипса поляризации изменяло свое положение в течение дня, отслеживая направление ионосферных токов в соответствии с 5д-вариацией [30, 22].

Эти результаты были позднее неоднократно подтверждены в экспериментах со стендом "Сура1 — см. рис. 4.2.!., 1.7.4.

01.09.77

Рис. 1.7.3. Суточные изменения поляризации СКЧ. И = 2,6 КГц. б)

Рис. 1.7.4. Суточный ход параметров СКЧ: а) амплитуда магнитного поля сигнала - Н. б) угол поворота эллипса поляризации -Треугольниками показаны направления Бя- тока и расчетные величины Н.

2. Теоретическая модель сверхсветового "радиозайчика"

2.1. Обзор теретических работ.

Задача об исследовании пространственно-временной структуры полей движущихся зарядов рассматривалась уже в 1888 г. [76, 19].*)

Дальнейшее развитие исследований в этом направлении приобрело "весьма своеобразный" характер. Краткое, но достаточно полное в принципиальном отношении изложение как истории вопроса, так и его современного состояния представлено в методической заметке [19]. В рамках обзора теоретических предпосылок можно привести содержание вводной части этой работы.

Точное решение уравнений Максвелла для поля равномерно движущегося точечного заряда было впервые получено О.Хеви-сайдом. Он также, по-видимому, был первым, кто понял, что немалый интерес представляет случай, когда заряд движется со скоростью, превосходящей скорость света в среде [87]. Позднее Т. де Кудр и А. Зоммерфельд [72] рассмотрели задачу, близкую к той, которую рассматривал О. Хевисайд, а именно, они исследовали движение заряда не в преломляющей среде, а в пустом пространстве, причем скорость движения превышала скорость света в пустоте. Общим для результатов О. Хевисайда, с одной стороны, и Т. де Кудра и А. Зоммерфельда, с другой, было то,

Менее чем через 25 лет после выхода мемуара - "О Динамической Теории Электромагнитного Поля".

ОСОММНЬГ

ЧбЛйОТ^ что скорость распространения поля (фазовая скорость электромагнитных волн) играла роль некоторого порога по скорости, при переходе через который характер поля источника резко менялся. Было показано, что если скорость источника становится больше скорости света в среде, через которую он движется (О. Хевисайд [87]), или в пустоте (Т. де Кудр, А. Зоммерфельд [72]), то должно возникать характерное излучение.

Вскоре после публикации работ де Кудра и Зоммерфельда была сформулирована специальная теория относительности. Движение материальных тел со скоростями, превышающими скорость света в пустоте, оказалось невозможным; поэтому к результатам де Кудра и Зоммерфельда перестали относиться всерьез. Вскоре эти работы были забыты, а вместе с ними забыта и работа О. Хевисайда, хотя как раз О. Хевисайд рассмотрел физически реализуемый случай - движение заряда в среде (а не в пустоте) со скоростью, превосходящей фазовую скорость волн в этой среде. Об этой работе О. Хевисайда, как и о работах Т. де Кудра и А. Зоммерфельда, вспомнили лишь после открытия эффекта Вавилова-Черенкова и после создания И. Е. Таммом и И. М. Франком теории этого явления [38].

Для дальнейшего важно напомнить один из аспектов того запрета., который в специальной теории относительности накладывается на сверхсветовые движения: СТО запрещает не все сверхсветовые движения, а только те, которые могут привести к нарушению причинно-следственных связей. Например, при движе

Более точно — вспомнил А.Ф.Иоффе. нии материального тела (элементарной частицы) его положение и скорость в некоторый момент времени определяют все его последующее движение и в этом смысле являются " причиной" его положения во все последующие моменты, времени; в свою очередь положение и скорость тела в какой-нибудь момент времени является "следствием" его положений и скоростей в предыдущие моменты времени: такие и подобные им движения не могут происходить со скоростями больше скорости света в вакууме. Однако имеются объекты (вполне материальные), перемещение которых не является проявлением подобных причинно-следственных связей и которые, соответственно, могут двигаться со скоростями больше скорости света в вакууме. Наиболее известным объектом такого рода является световой (солнечный) "зайчик". Этот и другие примеры сверхсветовых движений рассмотрены в ряде работ, в частности, в книге [17]. Интересно, что к объектам такого рода, т. е. способным перемещаться со скоростью больше скорости света в вакууме, принадлежит и заряд. Разумеется, речь не идет о заряженном материальном теле (например, элементарной частице); имеется в виду некоторый специально образованный, эффективный заряд. Такой заряд возникает, например, при наклонном падении плоской электромагнитной волны на поверхность металла. Если электрический вектор падающей волны лежит в плоскости падения, то на поверхности металла образуется отличный от нуля поверхностный заряд. Он образует знакопеременную периодическую структуру, которая перемещается как целое вдоль поверхности металла со скоростью, превышающей скорость света. Очевидно, что излучение, возбуждаемое этой структурой, и дает отраженную волну." В работе [37] по этому поводу сделано следующее замечание - " Можно буквально сказать, что мы очень долго 11 не знали, что говорим прозой1, - сверхсветовое (и более общее при п > 1) черенковское условие известно уже несколько столетий. Сказанное о соответствии между законами отражения и преломления и черенковским условием вместе с тем естественно, поскольку все эти соотношения получаются из принципа Гюйгенса одинаковым образом.1' Забегая вперед, можно отметить, что в перечисленный круг явлений можно включить нормальный и аномальный эффекты Доплера.

Рассмотрим еще несколько примеров [19] источников, которые подтверждают, что "с помощью досветовых движений реальных зарядов может быть образовано некоторое эффективное сосредоточенное зарядовое распределение, движущееся со скоростью больше скорости света в вакууме. Цель примера не в том, чтобы дать рецепт какого-то реального устройства, реализующего подобное распределение (хотя это не исключается), а лишь в том, чтобы показать теоретическую возможность подобных распределений.

Идею сосредоточенного зарядового распределения, движущегося со скоростью больше скорости света, проиллюстрируем сначала двумя примерами. Пусть имеются два диэлектрических бруска разной длины, несущих на своих гранях соответственно отрицательный и положительный заряды. Если линейные плотности зарядов одинаковы и бруски плотно прижаты друг к другу теми гранями, на которых имеются заряды, то на длине Ь (рис. 2.1.1, а) ) заряды компенсируют друг друга, и дело выглядит так, как будто имеется только некоторый эффективный отрицательный заряд на левом конце распределения. Пусть теперь положительно заряженный брусок переместится влево на расстояние АЬ за. время так что его скорость V = АЬ/АЬ меньше скорости света в вакууме. В результате этого перемещения эффективный отрицательный заряд окажется на. правом конце распределения (рис. 2.1.1, б) ), т. е. эффективный заряд переместится на расстояние Ь. Скорость его перемещения равна.

1 Vе

V Г Г — - = У е// М АЬ

Так как Ь АЬ. то эта скорость может быть и больше скорости света. Отношение скоростей

УеЦ Ь

V ~ АЬ примерно равно отношению средней длины двух брусков к разности этих длин и может быть сделано произвольно большим. Отметим, что, как и у обычных зарядов, перемещение эффективного заряда сопровождается током. Этот ток образуется положительными зарядами, перемещающимися вместе с бруском'' с досветовой скоростью, и отличен от нуля во всех точках,где есть перемещение зарядов.

Нетрудно эти соображения обобщить на бесконечно длинные зарядовые распределения. Пусть отрицательно заряженный брусок имеет бесконечную длину (рис.2.1.2). Сверху он покрыт положительно заряженными брусками длины Ь так, что имеется в а ——

О. + ■+ С

•+• -к -+

•+•

Рис. 2.1.1. Модель заряда, перемещающегося на конечное расстояние со сверхсветовой скоростью.

А1 г* • ■■ ъ] + 4- 4* + 4-4-4- + + .4- 4- 4- + 4-4-4

Рис. 2.1.2 Модель заряда, бегущего вдоль прямой со сверхсветовой скоростью. одном месте небольшой зазор АЬ. Очевидно, в этом месте расположен эффективный отрицательный заряд. Если теперь бруски Ь, расположенные справа от зазора, по очереди перемещаются налево, заполняя зазор АЬ, то эффективный отрицательный заряд будет перемещаться вправо со скоростью

1 V1

1)еГ{ = - = V- ? е// АЬ АЬ где АЬ = АЬ/У — время перемещения одного бруска Ь влево и V — его скорость при этом. Поскольку отношение Ь/АЬ может быть сделано произвольно большим, скорость г>е// может быть сделана большей скорости света в вакууме.

Могут ли подобные эффективные заряды и токи использоваться в качестве источников излучения в уравнениях Максвелла? Очевидно, могут, поскольку эффективные заряды и токи есть суммы соответствующих истинных зарядов и токов и их подстановка в уравнения Максвелла в качестве источников эквивалентна подстановке истинных зарядов и токов. В этом смысле старые результаты Т. де Кудра и А. Зоммерфельда могут быть реабилитированы." В связи с этим можно отметить, что никаких противоречий со специальной теорией относительности в эффектах,связанных со сверхсветовым перемещением эффективных зарядов,нет,хотя бы потому, что скорости движения истинных зарядов при этом могут быть много меньше скорости света и расчет излучения можно производить по формулам классической, нерелятивистской электродинамики, причем для получения каких-либо новых результатов нужно рассмотреть задачу, например, с учетом нелинейности среды, в которой происходит формирование таких источников.

2.2. Нелинейный механизм возбуждения излучения сверхсветовым радиозайчиком в В—слое ионосферы

В литературе, [37] возможность создания искусственного сверхсветового источника за счет нелинейных эффектов рассматривалась в связи с развитием лазерной техники. Однако "использование вращающегося луча не так уж легко даже при применении лазера, если требовать, чтобы напряженность поля в зайчике . была достаточно большой" для проявления нелинейных эффектов. Об экспериментальных результатах, полученных с помощью данной методики, пока не известно. Незамеченной оставалась возможность создания сверхсветового источника с помощью сканирующего радиолуча. — "радиозайчика" бегущего вдоль нижней границы ионосферы. Нелинейность в нижней ионосфере становится существенной при напряженности полей порядка одного вольта на метр и известна со времен обнаружения люксембург-горьковского эффекта, кроссмодуляции радиоволн и его многочисленных импульсных разновидностей. Одной из разновидностей нелинейности того же типа является обнаруженная в 1974 году генерация сигнала непосредственно на частоте модуляции мощной радиоволны [28]. При этом роль модулируемой, слабой волны выполняют геостационарные ионосферные токовые системы [79, 6]. Данный эффект зарегистрирован в 1980 году как эффект Гетманцева [32]. Подробный обзор экспериментальных и теоретических результатов по этому эффекту имеется в [13], часть которых представлена в главе 1 данной диссертации. Результаты данной и последующих глав являются развитием исследований нелинейных свойств ионосферы, основанных на эффекте Гетманцева. Возможность постановки прямого эксперимента по обнаружению излучения от сверхсветового радиозайчика в нижней ионосфере связана с удачным сочетанием параметров некоторых нагревных стендов, в частности стенда "Сура1, и нижней ионосферы, хотя и не совсем оптимальным, если в экспериментальный комплекс включить приемный пункт. Простейшую модель радиозайчика для кубичной нелинейности можно представить в графическом виде как в конфигурационном пространстве (см. рис.'2.2.1.), так и в пространстве волновых векторов (см. рис.2.2.2.).

На рис. 2.2.1. наклонные линии изображают две (из трех исходных) плоские радиоволны (выбранные условиями стационарной фазы для источников конечных размеров, для точки наблюдения X = 0) с различной длиной волны, распространяющиеся под малым углом а = (1/211 друг к другу и встречающиеся на нижней границе ионосферы. Скорость движения радиозачика (точки пересечения линии максимальной интенсивности - 3 с осью х)в этом случае можно оценить следующим образом: сДА * 2аА'

Это соотношение легче получить пространстве волновых векторов, где качественную модель излучающего рао

Рис. 2.2.1. Модель радиозайчика из двух плоских волн с различными волновыми векторами N

I (|*| = §) г й

Рис. 2.2.2. Модель "радиооайчика" из плоских волн диозайчика можно построить с помощью циркуля и линейки. Определим, следуя [61], необходимые общие обозначения и порядки используемых геофизических величин с помощью упрощённой четырёхволновой схемы эксперимента (см. рис. 2.2.2), которая соответствует элементарному акту взаимодействия волн в среде с кубичной нелинейностью [24]. Данная схема позволяет получить главные пространственные характеристики излучения Вавилова-Черенкова, возбуждаемого самим радиозайчиком, который в этом случае представляет из себя антенну бегущей волны на комбинационной частоте. В частности, можно определить направление максимума и (при небольшой модификации) ширину диаграммы направленности в вертикальной плоскости х.

На рис. 2.2.2. и = <^1,2/с = 27г/1?2/с — электрические поля, волновые вектора и частоты мощных исходных радиоволн, Д2 ~ 4 9 МГц. Голь нелинейных эффектов в И-спое становится существенной, когда амплитуда этих волн на высоте г « 70 км достигает одного вольта на метр, что соответству ет величине характерного плазменного поля Ер. В таких полях относительные возмущения температуры электронов и связанных с ней параметров Б-слоя становятся больше единицы [40]. Голь третьей исходной волны в экспериментах по обнаружению черенковского излучения сверхсветового радиозайчика принад лежала упомянутому геостационарному полю Ез, которое существует в ионосфере в области взаимодействия волн на высоте больше 50 км. Значение напряжённости этого поля на средних широтах определяется ветровым движением нейтральной компоненты и составляет величину порядка милливольта на метр. Характерный период изменения поля Ез составляет около суток. При этом соответствующая частота третьей волны как в спокойных, так возмущённых условиях удовлетворяла соотношению <С — ссъ. Поэтому комбинационная (разностная) частота возбуждаемого черенковского излучения радиозайчика (четвёртой волны) £1 = 27гЕ, где Е ~ 1 Ч-10 кГц, зависела лишь от частот двух мощных радиоволн: ы и)\ — (¿2- (2.2.1)

Эти частоты можно задать с достаточно высокой стабильностью (порядка Ю-8). Именно это и позволило производить измерения в узкой полосе в окрестности разностной частоты и получить отношение интенсивностей сигнала и шума около 10.

В общем случае частота и волновой вектор третьей волны не равны нулю. Такая ситуация может реализоваться как в возмущённых ионосферных условиях для геостационарного поля Ез [69], так и в случае, когда в качестве третьей исходной волны будет использоваться излучение другой природы (например, наземного сверхдлвнноволнового (СДВ) передатчика "УТР-З", который, по удачному стечению обстоятельств, находится примерно в 100 км к западу от стенда "Сура"). Отличный от нуля волно-—* вой вектор может быть легко учтён в аналитических расчётах, но для графической простоты на рис. 2.2.2. он не изображён. Действительные компоненты волнового вектора К четвёртой волны, возбуждаемой на комбинационной частоте можно определить в плоскости, содержащей волновые векторы первых двух исходных радиоволн к\ и к), непосредственно из диаграммы, представленной в верхней части рис. 2.2.2. Такой метод расчёта полей, как отмечается в литературе (см., например, [70]), восходит к Рэлею и выполняется с учётом дисперсионного соотношения для волны, возбуждаемой в полупространстве г > 0 (диэлектрический вакуум):

К)2 = К'1 + К2г = (Ко)2 = (П/с)2. (2.2.2)

Учёт нелинейности на данном этапе сводится к тому, что ком—* понента Кх волнового вектора К волны, возбуждаемой на комбинационной частоте является соответствующей суперпозицией ж-компонент волновых векторов трёх исходных волн (условие синхронизма вдоль направления ж всех участвующих во взаимодействии волн). Если к$х — 0. то х0 ' К) = Кх = кух - к2х = Акх. (2.2.3)

Взаимодействие исходных полей и волн за счёт кубичной (тепловой [40]) нелинейности создает движущуюся (т.к. оо\ ф <¿9) тепловую неоднородность проводимости а(\Е\ • Ег|) нижней ио носферы, поляризованную полем Е3. Условие действительности К2 означает, что скорость Ух — с которой движется волна нелинейного тока з(\Ёх . Ео\ • Е3) = з(х -ух-г) = а(\Ёг • Ё2\) • Ё3 (2.2.4) вдоль оси х, больше скорости света в вакууме, а сам ток является виртуальным источником излучения волны Е4 в полупространство г > 0. Однако в нашем случае (в отличие от линейных сверхсветовых условий, которые реализуются при формировании отраженных световых импульсов) частота возбуждаемой волны не равна частоте падающих (исходных) волн и угол, под которым возбуждаемая волна уходит из области взаимодействия, не равен углу падения исходных волн.

3. Методика и техника экспериментов с движущимся источником

3.1. Независимое возбуждение двух разнесенных

КВ излучателей. Смена направления сканирования

В реальном эксперименте нагревные волны с частотами Ш}^ и волновыми числами к ¡о, взаимодействующие на высоте Н (г = 0). формируются с помощью двух идентичных разнесенных источников, причем фазовый центр первого из них расположен в точке с координатами (0, 0, /г), а второго — в точке (с?, 0, К) (с1 — база между фазовыми центрами источников). При этом координата х главного интерференционного максимума на высоте К и х соответствующий угол 9 (уш в = , = = х/г) непрерывно у/Ы + х1 изменяются со временем £ (с точностью до слагаемых порядка Кс1, с1/г) в соответствии с: требованием

Мвт0(*) + Ку/хЩ'2 + К2 = Ш (К — к{ — к2).

Отсюда линейная скорость Ух перемещения максимумов интерференционного поля на высоте к

Ух = х(г) = Пг/(М + Кх). (3.1.1)

Последнее соотношение можно записать в безразмерном виде, используя релятивистский параметр (3 — Ух/с. При небольших отклонениях от вертикали (х <С Н) £1 ш = ,

РъР-кМ-д).

3.1.2)

Если принять обозначение

Кехи = О/К = к • = К0//3, (3.1.3) то условие сверхсветового движения-интерференционной картины волновых полей от двух локальных излучателей (см. (3.1.2))

F|f > ¿/к • (3.1.4) эквивалентно условию действительности К2 из (2.2.1) для плоских волн, что оправдывает рис. 2.2.2 в качестве иллюстрации выбранных обозначений. Фактически речь идет о применимости метода стационарной фазы для рассмотрения главных деталей бегущей интерференционной картины при К А^ А-2, (I.

Отметим, что направление скорости Ух определяется ориентацией базы антенных систем и знаком расстройки частот нагрев-ных волн О. Меняя знак расстройки, можно изменить направление скорости волны тока и, как следствие, направление максимума излучения по отношению к выбранной точке.

Таким образом, для проведения измерений по обнаружению направленного излучения на комбинационной частоте за счет кубичной нелинейности нижней ионосферы необходимо иметь два независимых, разнесенных в пространстве коротковолновых излучателя, параметры которых удовлетворяют условию (3.1.4) сверхсветового движения интерференционной картины.

3.2. Пространственно-временная структура и спектральные характеристики движущегося источника. Результаты численного моделирования

В спокойных ионосферных условиях можно считать выполненными соотношения (2.2.1) и (2.2.3). При этом пространственно-временная структура нелинейного тока определяется, как отме

1 —¥ О чалось выше, суперпозицией двух нагревных волн: \Е\ + Е^ • На рис. 3.2.1. представлены в виде линий равного уровня два фрагмента (а,б) такой структуры в вертикальной плоскости (гх) на частотах сканирования 8 кГц и 1 кГц. На рис. 3.2.2 в аналогичном виде изображена пространственно-временная структура зайчика для частот 9 кГц и 4 кГц.

Параметры излучающей системы представлены в разделе 3.4. В правой части фрагментов изображена метка, перемещающаяся со скоростью света. Различный наклон фронта представленных волновых структур по отношению к осям х, £ и к метке отражает различную скорость перемещения волны тока как для разных частот, так и вдоль оси х. В проведенных экспериментах V ~ с (в центре интерференционной картины) на частоте Е ~ 7 кГц. Неравномерное (замедленное) движение волны тока и ограничен-ныи размер трека 100 хм) обуславливают широкий пространственный спектр источника. В результате даже при до световых скоростях в основной части трека в спектре присутствуют сверхсветовые гармоники (\КХ\ < Ко), доля которых увеличивается с ростом скорости (частоты) сканирования.

Модуль комплексного пространственного спектра тока (см.

F = 8 кГц

F = 4 кГц

Рис. 3.2.1. Пространственная структура радиозайчика

Х(км)

400

Время (мксек) а)

800

Х(км) 0т

400

Время (мксек) б)

Рис. 3.2.2. Пространственно-временная структура радиозайчика.

раздел "Дискуссия", соотношение 5.1.4) представлен на рис. 3.2.3 как функция Кх и частоты .Р. Существенная для формирования диаграммы направленности излучения часть спектра заключена между крайними метками Кх = ±К"о. Метка Кх = К* = К0 • х'/у/х'2 + /г2 ("точка стационарной фазы" для х'0 = 25 км). При смене знака расстройки спектр зеркально отражается относительно метки Кх = 0.

Несимметричная форма спектра позволяет предположить, что при непрерывной регистрации сигналов на фиксированной комбинационной частоте, но изменяющемся знаке расстройки, уровень сигнала в точке наблюдения с координатой х' ф 0 должен изменяться.

Аналогичным образом можно сравнивать амплитуды сигналов от источника, движущегося на наблюдателя, и от неподвижного, сфазированного источника, осциллирующего (П ф 0) как целое. Эффект излучения на комбинационной частоте в этом случае полностью эквивалентен предшествующим экспериментам по исследованию отмеченного ранее эффекта Гетманцева [32, 13]. В обозначениях главы 2 (см. рис. 2.2.2) схема измерений соответствует = 0 в центральной части нагревного пятна (см. также (3.1.3) при = 0). (Все элементы наземной антенной системы в этом случае излучают амплитудномоАудированный сигнал на одной несущей частоте). В сфазированном случае пространственная структура нелинейного источника, пространственный спектр и диаграмма направленности симметричны относительно начала координат во всем диапазоне комбинационных частот. В

-о; 15 о кх п/М

Рис. 3.2.3. Пространственный спектр радиозайчика. то же время в случае движущегося источника несимметричныи пространственный спектр смещается в область малых значений Кх при увеличении скорости движения, т.е. с увеличением комбинационной частоты.

3.3. Постановка задачи на проведение измерений

Такое поведение спектров позволяет сформулировать задачу обнаружения различий в уровнях соответствующих сигналов. Эту задачу можно решить, измеряя отношения указанных сигналов. Использование отношения амплитуд ухудшает точность представляемых экспериментальных данных, но позволяет не учитывать зависимость коэффициентов взаимодействия волн от частоты О, и поэтому отношение амплитуд в большей степени определяется геометрическими свойствами источников, что для обнаружения направленности излучения представляется более важным.

Конкретно, измерения на сетке фиксированных частот были проведены для следующих режимов работы наземного стенда:

1) режим чередования направлений сканирования КВ излучения вдоль оси х(Н+/Н);

2) режим чередования движущегося к наблюдателю источника на неподвижный (Н+/Но).

3.4, Технические характеристики независимых секций антенной системы стенда "Сура"

Эксперименты по обнаружению направленности излучения на комбинационных частотах (1 -МО кГц) были проведены с использованием мощного коротковолнового стенда "Сура" на полигоне НИРФИ в Васильсурске [8, 56]. Стенд из двух идентичных антенных систем и двух независимых усилителей мощности работал либо в режиме непрерывного сканирования КВ излучения в вертикальной плоскости (г, ж), ориентированной вдоль меридиана, либо в режиме амплитудной модуляции.

В первом случае одна из систем работала на частоте / = 5.75 МГц, другая на частотах / = / ± = 1-^-10 кГц).

Во втором случае третья антенная система работала от одного передатчика на одной несущей частоте / ~ 5 МГц с частотой модуляции Е ~ 1 -т-10 кГц. Переход к различным режимам осуществлялся простой коммутацией входных цепей.

Расстояние между фазовыми центрами антенных систем (I = 100 м. Каждая из систем состоит из четырех рядов излучателей турникетного типа. Каждый турникет состоит из двух вибраторов, возбуждаемых в квадратуре, обеспечивая круговую поляризацию в заданном секторе углов сканирования. Высота подвеса

12м. Размер соответствующей одиночной решетки вдоль направления сканирования — 100 м. Размер в поперечном направлении — 300 м. Эквивалентная мощность стенда Иг = РО ~ 130 МВт в одном лепестке в режиме сканирования и ~ 30 МВт в режиме амплитудной модуляции.

Конструктивные особенности и характеристики отдельных секций фазированной антенной решетки (ФАР) и образующих ее элементов приведены в [8].

3.5. Приемный пункт

Приемный пункт был расположен в 25 км к юго-западу от центра нагревного пятна. В качестве приемных антенн использовались две скрещенные вертикальные воздушные рамки с эффективной площадью 5 = 2400 м2, ориентированные в плоскостях север-юг и восток-запад на поверхности Земли. Антенны были подключены к гетеродинным приемникам с коэффициентом усиления

К = 120 ^ 140 дБ и полосой пропускания

Д^ « 3 • Ю-2 Гц.

Чувствительность приемной аппаратуры по магнитному полю в этой полосе ~ Ю-10 — Ю-11 А/т. Регистрация сигнала производилась с гетеродинного выхода приемника на промежуточной су частоте Рг = Рд — Р ~ 10~" Гц. Рд — частота гетеродина со стабильностью Ю-8. Обнаружение направленности излучения производилось как при смене знака расстройки, так и при переходе к режиму амплитудной модуляции раз в три минуты.

Измерения на частотах выше 10 кГц не были произведены из-за уменьшения (ниже порогового уровня обнаружения ОНЧ излучения) коэффициента взаимодействия волн с ростом частоты, а также из-за технических ограничений на величину расстройки между частотами передатчиков.

К сожалению, комбинация параметров экспериментального комплекса не была оптимальной для дневных экспериментов со сверхсветовым источником. В частности, база между фазовыми центрами антенных систем и расположение приемного пункта не проектировались специально для проведения экспериментов со сверхсветовыми скоростями сканирования нагревного пятна в Б-сгюе. В результате максимум диаграммы направленности ОНЧ излучения проходит через существующий приемный пункт на частоте расстройки 17 кГц, далеко за пределами технически разрешенного диапазона расстройки между частотами передатчиков. Измерения, таким образом, производились на склонах диаграммы направленности. Тем не менее, скорость сканирования Ух (3.1.1) становится сравнимой со скоростью света, когда период допустимой расстройки Е (комбинационной частоты) сравним со временем установления (или релаксации) возмущений температуры электронов {6и)~[ [40] на высотах генерации излучения. Это обеспечивает, с одной стороны, близкий к максимальном}' коэффициент взаимодействия волн, а с другой - - хотя бы устойчивую форму того участка пространственного спектра тока (см. рис. 3/2.3), который определяет уровень сигнала в точке наблюдения. Оптимальный диапазон геометрических параметров экспериментального комплекса можно определить из условия направления максимума излучения в центральной части частотного диапазона излученя на точку наблюдения:

1/ sin2 атах = f32 - 1 « (h/xf и соотношения (3.1.2) для /?.

4. Результаты измерений 4.1. Амплитудные измерения

На рис. 4.1.1 представлены первые примеры записи обнаруженного эффекта изменения амплитуды принимаемого излучения при смене направления движения источника. Нагревные волны имели частоты /2 = 4.785 МГц и /1 = МГц, необыкновенную поляризацию. Соответствующие комбинационные частоты имеют значения Р = 3.0 кГц (с 1-й по 7-ю минуты) и Р = 3.4 кГц (с 8-й по 13-ю минуты). Частоты гетеродина Рд = 3000.16 Гц и Рд — 3400.16 Гц. Амплитуда магнитного поля принимаемого излучения при "положительном" направлении движения источника (на наблюдателя), представленная на рисунке в относительных единицах, составляет величину Н+ ~ Ю-9 А/м. При "отрицательном" направлении движения (с 4-ой по 7-ю и с 11-й по 13-ю мин.) сигнал (Н-) уменьшался (в данном эпизоде) до уровня внешних шумов. Забегая вперед, можно отметить, что скорость движения зайчика на высоте взаимодействия ~ 70км для данной частоты сканирования меньше скорости света и для объяснения обнаруженных различий в уровнях амплитуд сигналов, принимаемых с различных направлений движения, может потребоваться более сложная модель зайчика. В частности, лег—* ко "подогнать" под экспериментальные данные модель с ф 0 (см.раздел "Дискуссия").

На рис. 4.1.2. сплошной кривой с вертикальными линиями представлены результаты измерений отношения амплитуд сигналов

Н(+) ЗкНг-------—>|<-.-Н(-) ЗкНг------>|<~Н(+)314кНг->1<--ИС-)3,4кНг-->

Рис. 4.1.1. Эффект изменения амплитуды излучения при сверхсветовом движении радиозайчика для двух противоположных направлений движения ((+) - на наблюдателя, (-) - от наблюдателя). на сетке частот (в одном из дневных получасовых сеансов) для двух противоположных направлений движения источника. Размер вертикальных линий соответствует точности измерений. На каждой частоте вид регистрационной записи аналогичен одному из двух представленных на рис. 4.1.1. шестиминутных интервалов.

Каждая частотная точка получена в результате трехминутного усреднения сигнала отдельно для положительного и отрицательного направлений движения. После этого определялось отношение амплитуды магнитного поля Н+ для положительного направления движения к амплитуде магнитного поля Н для отрицательного направления движения. Это отношение Н+/Н- отложено по оси ординат. По оси абсцисс — комбинационная частота .Р в килогерцах. Пунктирная кривая и кривая, помеченная символами х, представляют результаты проведенных расчетов (см. разд. 4.3.).

На рис. 4.1.3. аналогичным образом представлены результаты измерений отношения амплитуд сигналов на сетке частот для двух режимов работы передатчиков: сканирования излучения в вертикальной плоскости с частотой Р и амплитудной модуляции с той же частотой. Аналогично пункту 2 данного раздела каждая частотная точка получена в результате трехминутного усреднения сигнала отдельно для режима сканирования в положительном направлении (Н+) и отдельно для режима амплитудной модуляции (Но)- Аналогичным образом определялось отношение амплитуд Н+/Но, которое, как и в пункте 2, отложено по оси ординат. н+/н

10

12

Р(кНг)

Рис. 4.1.2. Результаты измерений (жирная линия) отношения амплиту; излучения радиозайчика для противоположных направлений его движения на сетке частот сканирования (переход через скорость света - 7 кГц).

Здесь тоже пунктирная кривая и кривая, помеченная символами х, представляют результаты расчетов (см. разд. 4.3.).

4.2. Поляризационные измерения

На рис. 4.2.1. представлены результаты измерений временного хода параметров поляризации х и р, полученные в ходе того же цикла экспериментов, результаты которого были рассмотрены в предыдущем разделе. На этом рисунке символами (— о —) показаны зависимости от времени параметров поляризации для неподвижного источника, символами (—•—)- для движущегося. Как и в предыдущем разделе передатчики работали попеременно: 3 минуты - один передатчик стенда "Сура" в режиме ЮОследую-щие 3 минуты - два других передатчика без модуляции с той же частотой расстройки. Все передатчики работали на вертикально направленные антенны. Из анализа экспериментальных зависимостей можно сделать следующие выводы об особенностях поведения параметров поляризации низкочастотного излучения движущегося источника по сравнению с излучением неподвижного осциллятора:

1. Степень эллиптичности р из лучения движущегося ионосферного излучателя меньше,чем неподвижного.

2. Ориентация эллипса поляризации х в меньшей степени зависит от времени суток, чем у неподвижного.

О 2 4 6 8 10 12

1<(кН7)

Рис. 4.1.3. Результаты измерений отношения амплитуд излучения радиозайчика и неподвижного осциллятора.

14 15

ЬТ(насы]

Рис. 4.2.1. Временной ход параметров поляризации илучения радиозайчика - • и неподвижного осциллятора - о.

4.3. Дискуссия

Представленный в разделе 4.1 экспериментальный материал, посвященный амплитудным измерениям,на данном этапе исследований может быть использован, главным образом, в демонстрационных целях. Это связано, в частности, с недостаточным удалением приемного пункта (см. раздел 2) от области формирования источника излучения. Вдоль оси х высота к ~ 70 км, удаление по горизонтали х' = ~ 25 км при длинах волн (300^-30) км. На столь близком расстоянии не очевидна применимость аналитического расчета пространственной структуры волновых пучков и интерпретации величины эффектов с помощью замены реальных апертур простыми модельными источниками типа гаус-соид или прямоугольников, а также асимптотических оценок на основе метода перевала, которые удобно использовать на. расстояниях много больше длины волны. Расчеты такого рода, выполнены в работах [13, 69]. В нашем случае, когда измерения производились на склонах диаграммы направленности, такая оценка если и возможна, то на частотах выше 5 кГц.

В общем случае во всем диапазоне от 1кГц надежнее произвести численные расчеты структуры бегущей вдоль оси х интерференционной картины и ее пространственного спектра от двух наземных антенных решеток (каждая из 4 рядов диполей) с последующей численной обратной сверткой всех возбуждаемых мод вида ехр(ИС2(КХ1Ку)г). Общие интегральные выражения для этого имеются, например, в монографии [74], глава 5, §2, форм. 14. Там же, в §5, изложены методы интегрирования и подробности вычислений с детальными замечаниями. Расчет несколько облегчается тем, что расстояние до точки наблюдения по оси у от плоскости сканирования (у = 0) мало по сравнению с шириной пятна засветки. Поэтому можно было считать Ку = 0. Кроме того, отношение амплитуд полей Н+/(но не сами амплитуды ! (см.ниже)) для такой точки наблюдения не зависит от ориентации поля Е:з в плоскости (ж, у). В результате исходные формулы использовались в одномерном приближении. Но даже после этого их вид представляется недопустимо громоздким для экспериментальной публикации. Воспользуемся тем, что, как результаты численных оценок отношения Н+ /Н-, так и грубый анализ подынтегральных выражений показывают, что из всех свободных параметров модели, не претендующей на полноту, наибольшее влияние на частотный ход кривых оказывают параметры, характеризующие реальную геометрию наземных апертур и зависимость поля от х. После этого проиллюстрировать выражения, которые использовались для оценки отношений амплитуд магнитного поля, можно (с точностью до медленных подынтегральных множителей, содержащих импедансы нижней ионосферы и вакуума) с помощью выражений следующего вида:

•ехр (гКхх'й)<1Кх\ (4.3.1)

3(КХ,Р) ~ ¡^(з(х,Р)ехр{-ИСхх))<1х (4.3.2) \](х,Р)\ ~ \Ё1{х,{)-Ё2{х,!+Р)\-Ё1"(х) (4.3.3)

Е1а\ -Ей п ехр(г к\ 2 тП12)/гп12? (4.3.4)

7г=1,8 где х'0 = ±25км для Н"+>, соответственно, гП12 — модуль радиус-вектора от п-го элемента одиночной антенной решетки с номером 1 или 2 и их отражений с коэффициентом Яп от земли ч- Д4 = 1, #5 -г- = 0.7). При оценке поля Но необходимо учесть, что в этом случая работает только одна антенная решетка и только один передатчик в режиме амплитудной модуляции. Легче всего этот учет произвести, если считать гП1 = гП2, а амплитуды полей Ё\12 уменьшить в два раза. — крупномасштабное квазистационарное поле, зависимость которого от х может эффективным образом отражать наличие различных типов горизонтальных неоднородностей. Учет этих неоднородностей эквивалентен тому, что волновое число кХз третьей из исходных волн не равно нулю, что приводит к эффекту "гетеродинирова-ния" пространственного спектра тока (9) в две области, каждая из которых может содержать сверхсветовой участок. Обнаруженная при численном моделировании деформация спектра настолько существенна, что позволяет "объяснить" любые экспери ментальные зависимости, например, с использованием гипотезы о внутренних гравитационных волнах [69]. Однако, необходимо учитывать, что измеренная величина поля в точке наблюдения является, в соответствии с соотношениями (5.1.4), интегральной характеристикой условий в области взаимодействия волн общей протяженностью до 100км (см.рис. 3.2.1., 3.2.2). В спектральном представлении область интегрирования также достаточно широка и, как отмечалось в разделе 3.2, ограничивается значениями Кх = ±Ко. Поэтому однозначную интерпретацию результатов эксперимента на данном этапе произвести невозможно. В связи с этим при сопоставлении результатов измерений с расчетными зависимостями (с меняющимися свободными параметрами) не ставилось задачи добиваться детального количественного совпадения кривых даже в пределах точности измерений. Тем не менее, соответствие по порядку величины и знаков первых производных стало возможным лишь при учете как реальной геометрической структуры наземного КВ стенда вдоль оси сканирования, так и вполне возможных неоднородностей, независимо от их геофизической природы. Что касается отношения Н+/Но, то, как можно было ожидать, и экспериментальные, и численные результаты дают меньшие, чем Н+/Я, различия в уровнях сигналов, что объясняется более слабой зависимостью диаграммных свойств неподвижного источника от частоты.

Результаты расчетов изображены на рис. 4.1.2 (для Н+/Н-) и рис. 4.1.3 (для Я+/Яо). С учетом гипотезы о синусоидальных 35-и километровых неоднородностях с амплитудой 0.7 символами — х, без учета неоднородностей — пунктиром.

В строгом смысле эффективный источник не является черен-ковским, поскольку, как отмечалось ранее, в нашем случае он движется в ограниченной области и на краях трека — неравномерно (см. (3.1.1)), что обуславливает широкий пространственный спектр источника и наличие в нем сверхсветовых волновых гармоник даже при досветовом движении, не говоря о том, что вполне возможны условия, при которых к3 ф 0. Поэтому эффект излучения и асимметрия уровней сигналов при смене направления сканирования наблюдаются и в идосветовом'1 участке частотного диапазона измерений. Однако отсутствие резкого максимума в поведении кривых при переходе через световой порог на частоте ¥ ~ 7кГц может быть обусловлено тем, что в электродинамике движущемуся электрическому заряду соответствует продольная, по отношению к оси движения, ориентация электрических токов, при которой излучение вперед невозможно, и ударная волна при таком переходе не возбуждается. Это существенно отличает пороговые явления в электродинамике от акустических. При постоянной скорости движения заряда, точно равной скорости света, интенсивность излучения равна нулю и плавно растет с увеличением скорости ~ (1 — 1 /(З2) [76]. Другая причина, по которой резких пороговых явлений не обнаружено, может быть гораздо проще: — слишком большой шаг между экспериментальными точками по частоте. При наличии поперечной составляющей в ориентации токов переход через скорость света может сопровождаться резкими особенностями в поведении кривых, (что можно заметить в виде изломов на рис. 4.1.2, и рис. 4.1.3) в диапазоне частот сканирования 6 -т- 8кГц. Именно в этой области частот содержится переход через скорость света в вакууме), но этот эффект "сглажен" ограниченностью трека и неравномерностью движения интерференционной картины внутри области взаимодействия волн.

Интерпретация различий экспериментальных данных об ориентации главной оси эллипса поляризации движущегося и неподвижного источника связана, по видимому, с различием формы пространственных спектров неподвижного источника (симметричная в горизонтальной плоскости по обеим осям) и движущегося сверхсветового источника (несимметричная вдоль оси сканирования см. рис. 3.2.3. Различия степени эллиптичности -Р объясняются, возможно, тем, что движущийся источник имеет меньшие размеры по вертикали.

5. Нормальный и аномальный эффекты Доплера от радиозайчика на нижней границе ионосферы

5.1. Физические предпосылки

В литературе рассматривалась задача об излучении диполя, движущегося прямолинейно и равномерно со скоростью v в среде с показателем преломления п > 1, причем v больше скорости света с в данной среде [75]. В частности, был рассмотрен случай, когда величина дипольного момента гармонически изменяется во времени с частотой Q (в собственной системе координат). Как показал И.М.Франк, условия, связывающие собственную частоту диполя, частоту принимаемой волны со (в лабораторной системе координат) и угол в (между направлением распространения излученных диполем волн и направлением движения самого диполя)7можно представить в следующем виде [76](соотношения

30.4-30.6)(/? = v/c): (n/w<i), (5.1.1) р cos в ^ + (n/W>l), (5.1.2) р cos в и= (га/? cos 0 = 1) . (5.1.3) р cos в

Соотношение (5.1.3) имеет место для излучения Вавилова -Черенкова и определяет характерный угол 0 = 9$. Это соотношение получается из (5.1.1) или (5.1.2) при Q = 0. Соотношение

5.1.1) соответствует обычному эффекту Допплера, когда скорость V < с/п. Соотношение (5.1.2) выполняется только при сверхсветовой скорости источника и при углах в, меньших угла излучения Вавилова - Черенкова Эффект изменения частоты волны в этом случае получил современное название аномального эффекта Допплера [34]. Как отмечает И.М.Франк, различие условий (5.1.1)—(5.1.3) не является принципиальным: они получаются одно из другого заменой знака при П или со (в), что с волновой точки зрения означает лишь перемену знака изменения фазы колебаний. Таким образом, мы имеем дело с различными сторонами одного и того же эффекта, связанного с переходом скорости движения излучателя через скорость света.

В данном разделе диссертации рассматривается комплекс пространственно-временных явлений, связанных с изменением частоты и волнового вектора волн,рассеиваемых макроскопическими неоднородностями, движущимися вдоль нижней границы ионосферы. Скорость перемещения области, облучаемой стендом "Сура11 ("радиозайчика"), на высоте 70 км может изменяться в очень широких пределах, при этом максимальная скорость, обнаруженная экспериментально, составляет величину около 1,5 с [56, 61].

Как отмечалось в начале раздела, различия условий (5.1.1)-(5.1.3), связывающих параметры нормального и аномального эффектов Доплера, а также параметры излучения Вавилова-Черенкова, не являются принципиальными. В простейшем случае, соответствующем монохроматическому радиозайчику, для перехода от эффекта излучения Вавилова-Черенкова к эффектам Доплера достаточно учесть, что частота и волновой вектор третьей из исходных волн могут быть не равны нулю. Это обстоятельство приводит к тому, что как пространственный, так и частотный спектры эффективного источника возбуждаемой, четвертой волны преобразуется в две области (на радиотехническом языке они эквивалентны прямому и зеркальному каналам), каждая из которых может содержать сверхсветовой участок. Однако, поскольку структура радиозайчика в этом случае представляет из себя периодическую пространственно-временную решётку, в силу условий, аналогичных условиям Брэгга для неподвижной решётки, доплеровский сдвиг частоты возбуждаемой (или рассеянной) волны ДП может быть равен лишь частоте решётки (2.2.1), и не зависит от скорости её движения (3.1.4)

ДП = К^х = К0с. (5.1.4)

Более интересные возможности для исследования особенностей эффектов Доплера при скоростях объектов,близких к скорости света и предсказанных пока лишь теоретически [19, 62], а также для диагностики нижней ионосферы предоставляет расширение частотного спектра радиозайчика, что технически несложно (пространственный спектр задан гораздо жёстче сложной конструкцией независимых секций антенной решётки стенда "Сура"). Расширить частотный спектр можно различными способами, например, с помощью импульсной модуляции с достаточно большой скважностью исходных мощных радиоволн. Пространственно-временной спектр радиозайчика 5(а>, кх) определяется с помощью свёртки спектров движущихся одиночных фрагментов радиозайчика Р(кх)6(и> — кхУх) и неподвижных огибающих \¥(кх)6(и), которые определяют размер, ориентацию и центр трека. Здесь Р(кх) —пространственнный спектр моментальной фотографии формы радиозайчика в лабораторной (!) системе координат, 6 — дельта-функция Дирака. Наличие дельта-функции упрощает нам вычисление свертки, и после интегрирования общее выражение для спектра радиозайчика на ограниченном треке можно представить в следующем виде:

Форма спектра возмущений проводимости нижней ионосферы а(си,кх), вызванных таким радиозанчиком за счёт тепловой нелинейности, отличается от (5.1.5) амплитудными и фазовыми множителями, которые зависят от отношения частоты конкретной гармоники спектра радиозайчика к параметру определяющему характерное время установления возмущений температуры электронов [40]. Роль этих множителей точно такая же, как и в эффекте Гетманцева [32]:

Спектр эффективного тока у [иявляющегося источником доплеровского сигнала при рассеянии плоской монохроматической волны с волновым вектором частотой щ и амплитудой Ез, состоит из двух упомянутых выше симметричных относительно со областей и в приближении однократного рассеяния

3(ш, кх) = Р(и/Ух)Ш(к X

1УХ)1\УХ\. (5.1.5)

5.1.6) имеет вид

З(ы,кх) = [а+((ы+а>3),(/сг + А;зх)) + (5.1.7)

Н-сг((а; - о;3), (кх - &3х))]Е3.

Отметим, что при вычислении этого спектра преобразования Лоренца не использовались, поскольку спектр движущихся не-однородностей задан в лабораторной системе отсчёта. Обычно применяемый в случае досветовых скоростей переход в движущуюся систему отсчёта и обратно в лабораторную при сверхсветовой скорости может лишь усложнить вычисления, поскольку параметр у/1 — /32 становится мнимым. Для конкретной гармоники спектра тока, соответствующей монохроматическому радиозайчику Б (си) ~ 8(и — П), свёртка спектра возмущений проводимости и спектра падающей волны, пропорционального 6(— при {П, и; — > 6ь> имеет вид

О'И ~ ' (6и)\26(ш - - П). (5.1.8) ш-сизУ

С учётом свойства дельта-функции х)8(х — а) = /(а)8(х — а) спектральная компонента тока у (и) ~ (бр/0)28(ш — ш3 — Г2). Таким образом, амцлитуда осцилляторных возмущений проводимости для эффективного источника доплеровского сигнала на гетеродинированных частотах по-прежнему зависит только от расстройки частот первых двух исходных радиоволн.

В дальнейшем необходимо произвести численное моделирование и сравнение характеристик доплеровского сигнала, получа

В дальнейшем необходимо произвести численное моделирование и сравнение характеристик доплеровского сигнала, получаемых как с помощью спектрального подхода [70, 74], так и на основе потенциалов Льенара-Вихерта [19].

5.2 Технические характеристики экспериментального комплекса

Рассмотрим некоторые технические характеристики экспериментального комплекса применительно к обсуждаемым эффектам. Весьма важной, в этом случае, особенностью антенной решётки стенда "Сура" является возможность наклона диаграммы направленности каждой из независимых секций с помощью линий задержки на угол до ±40° в плоскости сканирования. Центр трека радиозайчика при этом может смещаться по отношению к существующему наблюдательному пункту на угол от приблизительно —60° до примерно 30°. Таким образом, с учётом того, что скорость движения радиозайчика может изменяться от 0 до 1,5 с, можно ставить эксперименты по обнаружению нормального и аномального эффектов Доплера как в продольном, так и в поперечном вариантах.

Как отмечалось ранее, в качестве третьей исходной волны, наряду с геостационарным "динамо"-полем, величина которого на средних широтах составляет лишь несколько милливольт на метр, предполагается использовать излучение СДВ передатчика "УТР-3", который находится приблизительно в 100 км к западу от стенда "Сура" и регулярно работает в системе эталонных сигналов частоты и времени (ЭСЧВ) [80]. Современный позывной этой радиостанции — РЙХ-90 (ШН-90), излучаемая мощность — 300 кВт, что соответствует напряжённости поля в области взаимодействия около 50 мв/м. Несущая частота в настоящее время составляет 25 кГц. Таким образом, с учётом допустимых расстроек между частотами первых двух исходных радиоволн (04-10 кГц), возможный диапазон частот доплеровского сигнала простирается от 15 кГц до 35 кГц.

Оценка величины поля передатчика "УТР-3" в области взаимодействия показывает, что амплитуда доплеровского сигнала должна увеличиться по сравнению с амплитудой Сигналов Комбинационных Частот в эффекте Гетманцева или по сравнению с амплитудой, сигнала от радиозайчика в несколько десятков раз. В результате, предложенный переход к доплеровским измерениям позволяет получить отношение сигнала к шуму порядка 100 и более и расширить диагностические возможности исследования состояния нижней ионосферы.

Кроме того, можно получить информацию о квазистационар—* ном ионосферном поле Е% на высотах генерации излучения, поскольку параметры всех исходных полей и возбуждаемого ОНЧ поля Е± измеряются в ходе эксперимента. Однако для однозначной интерпретации измерений необходимо проведение комплексных экспериментальных исследований с привлечением дополнительных диагностических средств.

6 Заключение. Основные результаты диссертации

1. Разработана и апробирована методика генерации направленного СДВ излучения искусственным источником в виде коротковолнового "радиозайчика", движущегося вдоль нижней границы Б-слоя ионосферы со скоростью от 0.15 до 1.5 скорости света в. вакууме. Методика основана на нелинейных эффектах, возникающих в нижней ионосфере при воздействии на нее сканирующим лучом КВ диапазона.

2. Экспериментально исследованы следующие параметры излучения сверхсветового источника: а) спектральные характеристики, б) поляризационные характеристики, в) свойства направленности.

Показано, что отношение амплитуды излучения на точку наблюдения к амплитуде излучения от точки наблюдения растет с ростом скорости движения и составляет величин}' порядка 10 при скорости порядка 1.5 от скорости света. Показано, что экспериментально измеренные свойства направленности соответствует результатам численного моделирования.

3. На основании экспериментального исследования суточного хода характеристик излучения показано, что механизм генерации направленного излучения при сверхсветовом движении источника является черенковским, что отличает его характеристики от аналогичных характеристик излучения неподвижного осциллятора (Эффект Гетманцева).

4. Предложена и разработана методика обнаружения нормального и аномального эффектов Доплера в частотном диапазоне 15-35 кГц. Произведено сопоставление имеющихся экспериментальных данных с теоретическим анализом эффектов Вавилова-Черенкова и Доплера, проведенным в работах И. М. Франка, В. Л. Гинзбурга. Б. М. Болотовского. Показана возможность развития исследований ветровых движений в Б-области ионосферы с использованием данной методики. Возможность постановки реального эксперимента в Б-слое ионосферы связана с удачным взаимным расположением двух уникальных радиопередающих центров: КВ стенда "Сура" и СДВ стенда "УТР -ЗУ

ЛИТЕРАТУРА

1. Альперович JI. С., Федоров Е. Н. - Изв. вузов - Радиофизика, 1981, 21, N4, с. 602.

2. Альперович JI. С., Федоров Е. Н. Генерация низкочастотных электромагнитных колебаний полем мошной радиоволны в ионосфере. - Изв. вузов. - Радиофизика, 1981, т. 24 N 3, с. 276-292.

3. Альперт Я. Л., Гусева Э. Г., Флигель Д. С. Распространение низкочастотных электромагнитных волн в волноводе Земля-ионосфера, - М.: Наука, 1967, 124 с.

4. Арыков А. А., Мальцев Ю. П. Геомагнитный эффект при модулированном нагреве ионосферы. - Геомагнетизм и аэрономия, 1981, т. 21, в. 2, с. 352-357.

5. Бабиченко A.M., Гусев С.А., Митяков С.Н., Поляков C.B., Рапопорт В. О., Сазонов Ю.А. - Геомагнетизм и аэрономия, 1984, 24, N2, с. 196.

6. Бабиченко A.M. Котик Д. С., Митяков С.Н., Мироненко Л.Ф., Рапопорт В. О., О возможности использования эффекта генерации электромагнитных сигналов комбинационных частот в ионосфере для исследования динамики ме-зосферы. //Неустойчивости и волновые явления в системе ионосфера- термосфера / ИПФ АН СССР, Горький, 1989, с. 71-83 (Материалы международного симпозиума, Калуга, 6-10 февраля 1989 г.)

7. Беликович В. В., Бенедиктов Е. А., Гетманцев Г. Г., Ерухи-мов Л. М., Зуйков H.A., Комраков Г. П., Котик Д. С., Ми-тяков H.A., Рапопорт В. О., Сазонов Ю. А., Фролов В. Л., Череповицкий В.А. - УФН, 1974, 113, N4, с. 732.

8. Белов И.Ф., Бычков В. В., Гетманцев Г. Г., Митяков H.A., Пашкова Г. Р. Экспериментальный комплекс Сура для исследования искусственных возмущений ионосферы.// Препринт N167. Горький: НИРФИ, 1983.

9. Беллюстин Н. С., Докучаев В. П., Поляков C.B., Тамойкин В. В. Возбуждение волновода Земля-ионосфера ионосферными источниками низкочастотного диапазона. - Изв. вузов - Радиофизика, 1975, 18, N 9, с. 1323-1332.

10. Беллюстин Н.С., Докучаев В. П. О генерации электромагнитных волн распределенными токами в анизотропной среде. - Изв. вузов. - Радиофизика, 1975, т. 18, NI, с. 17-26.

11. Беллюстин Н.С., Поляков C.B. О распространении низкочастотных электромагнитных волн в волноводе Земля-ионосфера. - Изв. вузов - Радиофизика, 1977, 20, N 1, с. (3797).

12. Беляев П.П., Поляков C.B. Граничные условия для МГД-волн на ионосфере. —Геомагнетизм и аэрономия, 1980, т. 20, N4, с. 637-641.

13. Беляев П. П., Котик Д. С., Митяков С. Н., Поляков C.B., Рапопорт В. О., Трахтенгерц В.Ю. // Изв. Вузов, Радиофизика. 1987. 30, с. 248-269.

14. Беспалов П. А., Трахтенгерц В. Ю. В кн.: Влияние мощного радиоизлучения на ионосферу. - Апатиты: Кольский филиал АН СССР, 1979, с. 86.

15. Беспалов П.А., Трахтенгерц В.Ю. В кн.: Вопросы теории плазмы // Под ред. М.А. Леонтовича. - М.: Атомиздат, 1980, вып. 10, с. 88.

16. Блиох П. В., Брюховецкий A.C. - Геомагнетизм и аэрономия, 1969, 9, N3, с. 545.

17. Болотовский Б. М. // Теоретическая физика pi астрофизика (К 70-летию В. Л. Гинзбурга). - М.: Наука, 1989. С. 24.

18. Болотовский Б.М, Быков В. П. УФН, 1990, т. 160, вып. 6, с. 161.

19. Болотовский Б.М., Быков В. П. УФН, 1990, т. 160, вып. 6, с. 161.

20. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. - М.: Наука, 1973, 343 с.

21. Будилин А. В., Гетманцев Г. Г., Капустин П. А., Котик Д. С., Митяков H.A., Петровский A.A., Рапопорт В. О., Сазонов Ю.А., Смирнов С.Ю., Трахтенгерц В.Ю. - Изв. вузов -Радиофизика, 1977, 20, N 1, с. 83.

22. Будилин A.B., Котик Д. С., Мироненко Л.Ф., Рапопорт В. О., Сазонов Ю. А. Тезисы докладов XIII Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. - Томск, 1978, ч.1, с. 120-121.

23. Васильев А. Н., Ларин В. Ф., Смирнов В. С. Возбуждение нелинейных токов в авр оральной электр о струе мощным КВ-излучением. - В кн.: Исследование процессов в аврораль-ной ионосфере методами активного воздействия. Апатиты, 1978, с. 20-29.

24. Виноградова М.Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П. Теория волн. - М.: Наука, 1979. С. 161.

25. Галеев А. А., Сагдеев Р. 3. - В сб.: Вопросы теории плазмы. - М.: Атомиздат, 1973, вып. 7, с. 114.

26. Гершман Б. Н. Динамика ионосферной плазмы. - М.: Наука, 1974, 256 с.

27. Гершман Б. Н., Ерухимов Л. М., Яшин Ю. Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. - М.: Наука, 1984.

28. Гетманцев Г. Г., Зуйков H.A., Котик Д. С., Мироненко Л. Ф., Митяков Н. А., Рапопорт В. О., Сазонов Ю. А., Трахтенгерц В. Ю., Эйдман В. Я. Обнаружение комбинационных частот при взаимодействии мощного коротковолнового излучения с ионосферной плазмой. - Письма в ЖЭТФ, 1974, Т. 20, вып. 4, С. 229-232.

29. Гетманцев Г. Г., Гульельми А. В., Клайн Б. И., Котик Д. С., Крылов С. М., Митяков H.A., Рапопорт В. О., Трахтенгерц В. Ю., Троицкая В. А. - Изв. вузов - Радиофизика, 1977, 20, N7, с. 1017.

30. Гетманцев Г. Г., Рапопорт В. О., Будилин A.B., Иванов В. А., Котик Д. С., Митяков Н. А., Сазонов Ю. А. В кн.: Исследования ионосферы и магнитосферы методами активного воздействия. - Апатиты, 1977, с. 32.

31. Гетманцев Г. Г., Будилин A.B., Иванов В. А., Котик Д. С., Митяков Н. А., Рапопорт В. 0., Сазонов Ю. А., Арыков А. А. Измерение поляризации сигналов комбинационных частот. - В кн.: Исслед. ионосферы и магнитосферы методами активного воздействия. - Апатиты, 1977, с. 32-34.

32. Гетманцев Г. Г., Котик Д. С., Митяков Н. А., Рапопорт В. О., Трахтенгерц В. Ю., Капустин Н. Н., Смирнов В. С., Перцов-ский P.A., Васильев А.И., Распопов О.М. Диплом на открытие N231. Явление генерации электромагнитных волн ионосферными токами под воздействием на ионосферу модулированного коротковолнового радиоизлучения — эффект Гетманцева. // Открытия в СССР 1980. - М.:ВИНИТИ, 1981. С. 25

33. Гетманцев Г. Г., Котик Д. С., Митяков Н. А., Рапопорт В. О., Трахтенгерц В. Ю., Капустин Н. Н., Смирнов В. С., Перцов-ский Р. А., Васильев А. Н., Распопов О. М. Открытия в СССР, 1980. - М.-.ВНИПИ, 1981, с. 25.

34. Гинзбург В. Л., Франк И. М. //ДАН СССР. 1947, т. 56. С. 583.

35. Гинзбург В. Л., Гуревич А. В. - УФН, 1960, 70, N 2, с. 202.

36. Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. — М.: Наука, 1967, 684 с.

37. Гинзбург В. Л. Теоретическая физика и астрофизика. - М.: Наука, 1975. - С. 176.

38. Гинзбург В. Л. Теоретическая физика и астрофизика. - М.: Наука, 1987.

39. Гульельми А. В., Зотов О. Д., Клайн Б. Н., Русаков Н. Н., Беляев П. П., Котик Д. С., Поляков С. В., Рапопорт В. О. - ГеоЧ магнетизм и аэрономия, 1985, 25, N 1, с. 102.

40. Гуревич А. В., Шварцбург А. В. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере. - М.: Наука, 1973. 271с.

41. Данилов А. Д., Власов М. Н. Фотохимия ионизованных и возбужденных частиц в нижней ионосфере. - Л.: Гидроме-теоиздат, 1973, 190 с.

42. Железняков В. В. Электромагнитные волны в космической плазме. - М.: Наука, 1977, 432 с.

43. Задорожный A.M., Гинзбург Э. Н. О сезонных вариациях коэффициента турбулентной диффузии в мезосфере и нижней термосфере. - Геомагнитизм и аэрономия, 1977, т. 17, с. 1050.

44. Иткина М. А., Кротова 3. Н. Изменение параметров нижней ионосферы под действием мощного радиоизлучения. - Изв. вузов. - Радиофизика. 1981, т. 24, N4, с. 415-419.

45. Иткина М. А., Котик Д. С., Кротова 3. Н., Поляков С. В., Рапопорт В. О. Препринт НИРФИ N 162. - Горький, 1983.

46. Капустин Н. И., Перцовский Р. А., Васильев А. Н., Распопов О. М., Ульянченко Д. А., Арыков A.A. - Письма в ЖЭТФ, 1977, 25, N5, с. 248.

47. Котик Д. С., Трахтенгерц В. Ю. О механизме возбуждения комбинационных частот в ионосферной плазме. - Письма в ЖЭТФ, 1975, 21, с. 114-118.

48. Котик Д. С., Митяков Н. А., Рапопорт В. 0., Тамойкин В. Б., Трахтенгерц В.Ю. О некоторых геофизических эффектах, возникающих при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. - В кн.: Исследование ионосферы и магнитосферы методами активного воздействия. Апатиты, 1977, с. 35-41.

49. Котик Д. С., Поляков С. В., Яшнов В. А. Возбуждение волновода Земля-ионосфера низкочастотными источниками, расположенными в неоднородной ионосфере. - Изв. вузов. -Радиофизика, 1978, 21, N7, с. 938-944.

50. Котик Д. С., Поляков С. В., Рапопорт В. О., Тамойкин В. В. К теории сигналов комбинационных частот - В кн.: Влияние мощного радиоизлучения на ионосферу. Апатиты, 1979, с. 114-133.

51. Котик Д. С., Митяков С. Н., Поляков С. В., Рапопорт В. О., Трахтенгерц В. Ю. Генерация низкочастотного электромагнитного излучения при периодическом нагреве ионосферы мощным радиоизлучением. - Препринт ИПФ АН СССР N45. - Горький, 1982. 54 с.

52. Котик Д. С., Митяков С. Н., Поляков С. В., Рапопорт В.О. В кн.: Эффекты искусственного воздействия мощным радиоизлучением на ионосферу Земли. Материалы Всесоюзного симпозиума - Суздаль, 1983, с. 140.

53. Котик Д. С., Митяков С.Н., Поляков C.B. и др. Препринт ИПФ АН СССР N73. - Горький, 1983.

54. Котик Д.С., Петров М.С., Поляков C.B., Рапопорт В.О., Юрин К. Н. Тезисы докладов XIV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. - М.: Наука, 1984, ч. 1, с. 141.

55. Котик Д. С., Мироненко Л. Ф., Митяков С. Н, Рапопорт В. О., Солынин В. А., Тамойкин В. В. - В кн. "Модификация ионосферы мощным радиоизлучением" (Материалы Международного симпозиума, Суздаль, 1986 г.), М., 1986, с. 91.

56. Котик Д. С., Мироненко Л.Ф., Митяков С.Н., Рапопорт В. О. Солынин В. А., Тамойкин В. В. О возможности формирования сверхсветового источника черенковского излучения с помощью эффекта Гетманцева // - В кн. Модификация ионосферы мощным радиоизлучением. Тез. докл. междунар. симп. Суздаль, 1986. С. 91-92.

57. Ларин В. Ф., Остапенко A.A., Смирнов В. С. Генерация искусственных низкочастотных излучений авр оральными ионосферными томами. - Изв. вузов. - Радиофизика, 1982, 24, N4, с. 378.

58. Львович Р. В. Люксембург-Горьковский эффект. Радиотехника, 1937, N 2, с. 5. тел. НТБ-524641

59. Ляцкая A.M., Ляцкий В. Б, Мальцев Ю.П. О возможности искусственной генерации геомагнитных пульсации. - Геомагнетизм и аэрономия, 1976, т. 16, N2, с. 331 - 336.

60. Ляцкий В.Б. Токовые системы магнитосферно-ионосфер-ных возмущений. - Л.: Наука, 1978. 198 с.

61. Мироненко Л. Ф., Рапопорт В. О., Котик Д. С., Митяков С.Н.// Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1998. Т. 41. С. 298.

62. Овсепян Ю.И. Некоторые особенности релятивистского доплер-эффекта. УФН, 1998, т. 168, с. 1037-1040.

63. Остапенко А. А., Смирнов В. С. Моделирование электромагнитных процессов в авроральной ионосфере методом численного решения волнового уравнения. - В кн.: Автоматизация геофизических исследований. Апатиты, 1980, с. 65-82.

64. Поляков С. В. Возбуждение волновода Земля-ионосфера точечным источником, расположенным в неоднородной анизотропной ионосфере. - В кн.: Влияние мощного радиоизлучения на ионосферу. - Апатиты, 1979, с 134-139.

65. Поляков C.B., Рапопорт В.О. Параметрическое возбуждение ионосферного альвеновского резонатора. - Геомагнетизм и аэрономия, 1980, т.'20, N6, с. 1114 - 1116.

66. Поляков C.B., Рапопорт В.О. Ионосферный альвеновский резонатор. - Геомагнетизм и аэрономия, 1981, 21, N 5, с. 816822.

67. Поляков C.B., Рапопорт В.О. Модификация стационарных ионосферных токовых систем при сильном нагреве ионосферы. Геомагнетизм и аэрономия, 1982, т. 22, N 6.

68. Поляков С. В., Рапопорт В. 0., Трахтенгерц В. Ю. Альвеновский. свип-мазер. - Физика плазмы, 1983, в. 2.

69. Рапопорт В. О., Мироненко Л. Ф., Митяков С. Н., Трахтенгерц В.Ю. // Геомагнетизм и аэрономия. 1995. т. 35. N3. С. 55. '

70. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В. И. Введение в статистическую радиофизику. 4.2. Случайные поля. - М.: Наука, 1978. - С. 65.

71. Смирнов B.C., Остапенко A.A., Ларин В.Ф. Низкочастотные излучения модулированной авроральнбй электроструи.

- В кн.: Влияние мощного радиоизлучения на ионосферу. Апатиты, 1979, с. 144-149.

72. Тамм И. Е, Франк И. М.//ДАН СССР. 1937. Т. 14. С. 107; Тр. ФИАН СССР. 1944. Т. 2, вып. 4. С. 63. Tamm I. S.//J. Phys. USSR. 1939. V. 1. P. 439.

73. Фаин В. М. Жевакин С. А. К теории нелинейных эффектов в ионосфере. ЖЭТФ, 1966, 3 JETP@Kapitza.ras.ru.

74. Фелсен Л., Маркувиц Н. Излучение и рассеяние волн. Т. 2/ Пер. с англ. - М.: Мир, 1978.

75. Франк И.М. // Изв. АН СССР. Сер.физ., 1942, т. 6. С.З.

76. Франк И. М. Излучение Вавилова - Черенкова. - М.: Наука, , 1988, с. 232.

77. 3. Ютло У., Коэн Р. - УФН, 1973, 109, N2, с. 371.

78. Янке Е., Эмдэ Ф., Леш Ф. Специальные функции. - М.: Наука, 1977, 344 с.

79. Яновский Б. М. Земной магнетизм.- Ленинград: Изд-во Ленинградского университета, 1964. с. 277, 288.

80. Межведомственная комиссия по Времени и эталонным частотам ИМВП, ГП "ВНИИФТРИ". Эталонные Сигналы Частоты и Времени. Бюллетень В10. - Менделеево: 1996.

81. Метеорология верхней атмосферы Земли - Л.: Гидрометео-издат, 1981.

82. Тепловые нелинейные явления в плазме / Под ред. В. Ю.

Трахтенгерца. Горький; ИПФ АН СССР, 1979. 219 с.

83. Arykov A.A., Maltsev Yu. P. Artificial oscillations of geomagnetic field line. - Planet. Space Sei., 1979, vol.27, N4, pp. 463-471.

84. Bailey V. A. - J. Atm. Terr. Phys., 1959, 14, p. 299.

85. Bell T. F. ULP waves generation through paibicle precipitation induced by VLF transmitters. - J.Geophys.Res., 1976, vol. 81, N19, p. 3316-3526.

86. Borisov N.D., Gurevich A. V., Papadopoulos K. Direkt Cerenkov excitation of waveguide modes by a mobile ionospheric heater.// Radio Science, 1996, Vol.31, Num.4, p. 859-867.

87. Des Coudres T. Archives Neerlandaises des sciences exastes et naturelles, Serie II. - La Haye: Martinus Nijhoff, 1900. - Т. V. P. 652. - (Lorentz Ubelband). J ! Sommerfeld A. // Gött. Nachr. 1904. S. 99, 363; 1905. S. 201. Schott G. Electromagnetic Radiation. - Cambridge, 1912r

88. Ferraro A. J., Lee H.S., Allshouse R., Carroll К., Lunnen R. -J. Atm. Terr. Plivs., 1984, 46, N10, p. 855.

89. Galejs J. Terrestrial Propagation of Long Electromagnetic Waves. - New York, Pergamon Press, 1972, 353 p.

90. Lunnen R. L, Lee H.S., Ferraro A. J., Collins T. W. - Nature, 1984, 311, p. 134.

91. Meek C.E., Read J.M., Manson A. H. - Radio Sci, 1985, 20, N6, p. 1983.

92. Sato T. - J. Geophys. Res., 1976, 81, p. 539.

93. Stubbe P., Kopka H. Modulation of the polar electro jet by powerful HF waves. - J. Geophys. Res., 1977, vol.82, N16, p. 2319-2525.

94. Stubbe P., Kopka H., Dowden R. L. - J. Geophys. Res., 1981, A 86, N11, p. 9073.

95. Stubbe P., Kopka H.-J. Geophys. Res., 1981, A 86, N 3, p. 1606

96. Stubbe P., Kopka H., Rietveld M.T., Dowden R. L. - J. Atm. Terr. Phys., 1982, 44. N12, p. 1123.

97. Stubbe P. et al. - J. Atm. Terr. Phys., 1985, 47, N12, p. 1151.

98. Tellegen B.D. Interaction between radio waves. Nature, 1993, v 131, N4, p. 840-842.

99. Trachtengerts V. Yu. Proceedings of an international symposium. - Alpbach: Austria, 1983, p. 67.

100. Wait J. R. Electromagnetic Waves in Stratifies Media. - New York, Pergamon Press, 1972, pp. 372.

101. Weinstock J. - Radio Sci., 1985, 20,. N 6, p. 1295. ' ' ':

102. Willis J.W., Davis J. R. Radio-frequency heating effects on electron density in the lower E region. - J. Geophys. Res., 1973, 78, N25, p. 5710-5717.

Оглавление

Условные обозначения 2

Введение 3

1 Обзор теоретических и экспериментальных результатов по эффекту генерации Сигналов

Комбинационных Частот неподвижным осциллятором (Эффект Гетманцева) 6

1.1 Основные физические предпосылки . .6

1.2 Постановка задачи. Исходные уравнения . 9

1.3 Возмущения нижней ионосферы под действием КВ-радиоиз лучения. 12

1.4 Расчет низкочастотных сторонних токов. 17

1.5 Амплитудные и поляризационные характеристики излучения неподвижного источника.22

1.6 Методика и техника экспериментов с неподвижным источником. КВ и НЧ аппаратура. 24

1.7 Результаты экспериментальных исследований параметров сигнала от неподвижного источника. 32

2 Теоретическая модель сверхсветового радиозайчика" 40

2.1 Обзор теретических работ . 40

2.2 Нелинейный механизм возбуждения излучения сверхсветовым радиозапчиком в .О-слое ионосферы . 48

3 Методика и техника экспериментов с движущимся источником 56

3.1 Независимое возбуждение двух разнесенных

КВ излучателей. Смена направления сканирования . 56

3.2 Пространственно-временная структура и спектральные характеристики движущегося источника.

Результаты численного моделирования.58

3.3 Постановка задачи на проведение измерений.63

3.4 Технические характеристики независимых секций антенной системы стенда "Сура".64

3.5 Приемный пункт.65

4 ' Результаты измерений 68

4.1 Амплитудные измерения.68

4.2 Поляризационные измерения .72

4.3 Дискуссия. .75

5 Нормальный и аномальный эффекты Доплера от радиозайчика на нижней границе ионосферы 81

5.1 Физические предпосылки.81

5.2 Технические характеристики экспериментального комплекса.86

6 Заключене. Основные результаты диссертации 88

Литература 90

Оглавление 104