Неоднородности верхней ионосферы: некоторые механизмы формирования, моделирование, радиофизические приложения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

_ ДЧЭСУфДРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ - 1 АНЙР$$?СКПЙ^ГОСУДЛРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ИВАНОВ Всеволод Борисович

УДК 550.388

НЕОДНОРОДНОСТИ ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЫ: НЕКОТОРЫЕ МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

(01.04.03 - радпофпота)

Автореферат диссертация на сояиалие ученой степени дохтора фшнпо-математичесжпх наух

ИРКУТСК - 1995

Работа выполнена в Иркутском [Ъсударственкои университете.

Официальные оппоненты: Доктор фюзЕЕО-иатецатических наук,

профессор Ерухимов JI.M.

Доктор фц0Е£0-1[атеиа.тпче«пх науг, профессор Кеонмировскшг Э.С.

Доктор фтшю-иатеиатнчесхнх наук, профессор Тшшн М.В.

Ведущая организация: Институт прикладной геофаопкп

еы. академика. E.IC. Федорова

Защита состоится п30п ¿кй/и р^ 1996 г. d 1Р часов на [заседания специализированного Совета Д 063.32.03 про Иркутской Государственной университете по адресу: г. Иркутск, 664003, бульвар Гагарина 20. -

С диссертацией ыояшо ооиакоинться в научной библиотеке ИГУ.

Автореферат раоослал "l^f Гoja 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета Д 063.32.03 при ИГУ кандидат фшш*о-математических наук

В.Б. Мангазеев

ОВЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ч

я.

Предмет диссертации

Объектами исследований, составивших материалы диссертации, являются пеоднолодностп ионосферной плаомы естественного и искусственного происхождения, механизмы их формирования, способы их количествешюго описания п их влияние на ионосферное распространение радиоволн.

Ио всего мпогообрапил проблем, евлоанных с неоднородностями ионосферы, выделим ipyr вопросов, рассматриваемых в диссертации, основываясь на том, что основные особенности неоднородной струг-туры определяются, с одной стороны, географическими (более верно - геомагнитными) регионами их существования и, с другой стороны, высотрьши областями верхней атмосферы. В силу определенных тенденций раопптхш радиофизических и геофизических исследований сложилась такая ситуация, что наибольшие успехи в поучении нерегуляр-постен коносферноп плаомы относятся к регионам высоких и ппокпх шпрот. Исследования неоднородиостей ионосферы средних геомагнитных шпротах представлены в лптературе несколько скромнее. В то же время имеются несомненные экспериментальные подтверждения существования ионосферных неоднородиостей во всех геомагнитных регионах, включая средние широты. ТЪь, например, наиболее типичное проявление среднепшротных неоднородиостей - явление среднеширот-ного F-рассеяния - достаточно полно поучено морфологически, однако пока не нашло однооначной физической интерпретации. Именно неоднородная структура среднеширотной ионосферы и является-объектом теоретического пчучения в представляемой диссертаций. Кроме того,, и круг рассматриваемых явлений включены процессы, протекающие только в верхней ионосфере - ее области F.

Поскодьку, нараду со случайными естественными неоднородно-стями в работе рассматриваются вопросы, сшкшшые с антропогенными воодействцями на ионосферу, п одесь укажем ограниченный жрут рассматриваемых проблем. В свое время автором были выполнены работы, посвященные формированию вскусстЕенных неаднородиостей ионосферы, обусловленных воодедстваем мощных радиоволн и влиянию тмих неоднородностей на распространение радиоволн, что соста-" вило предмет его кандидатской дцссертацсд. В определенном смысле в продолжение тех: исследований в данной диссертации рассматриваются искусственные неоднородности (воомущения), амгаанные о ин&еЕцпей в верхнюю атмосферу даао'мообраоующих веществ с борта космических аппаратов. •

Параллельно с геофизическими аспектами проблемы ионосферных неоднородностей в диссертации рассматриваются вопросы их Бдштиа на распространение радиоволн. Здесь а:;тор ограничился изучением проявлений иерегулярностей и искусственных возмущений в

■ I

днапаооне декаметравых волн.

I

Значительное лшшалне уделено в дисссртацпп вопросам ради-афкоичегаой диагностики регулярной ионосферы, искусственных ионосферных ьоомувденпй и их случайно неоднородной структуры.

Актуальность проблемы

Одним ез ванных направлений фиаско околоземного космического пространства оляется теорехпческое исследование ц математическое моделирование случайной неоднородной структуры ионосферы. С одной стороны, ото обусловлено практическими потребностями разработки и эксплуатации раонообрааиых радиотехнических систем, для которых важен учет фнужтуаций параметров среды распространения радиосигналов - радиоастрономических инструментов, систем евдои, радионавигации, радиолокации. С другой стороны, ионосфера являет-

ся "природной лабораторией" для исследований физическпк процессов d плазме, поставляющей информацию' дт окспериментальпой проверки тех или иных фттическпх представлений, а также для развития методов дпагиостпкп (в. первую очередь - радиофизической) среды. В отон плане понятной становится актуальность одной из задач, рассмотренных в диссертации - поучение механизмов генерации случайных пеоднородностей в ионосфере.

В настоящее время верхняя атмосфера Земли испытывает значительные воздействия антропогенного характера, среди которых существенную роль играют выбросы на ионосферных высотах раоличных химических веществ, как в результате работы двигателей космпчссхпх аппаратов, так и при проведении специальных окспериментоп по пи-лсекцпп, в частности, плаомообраоугощпх веществ. Поскольку, такие воодействпя теперь являются далеко не единичными, а скорее наоборот, постоянно присутствующими, их поучение и описания являются весьма актуальными. В диссертации рассмотрена частная, но очень интересная проблема фпопкп исгусственных плазменных обраоованпй - формирование их неоднородной структуры (стратификации), которая уверенно наблюдалась в экспериментах.

Поскольку все тппы пеоднородностей так пли иначе должны проявляться при распространении радиоволн, актуальной является проблема анализа таких проявлении. Эта проблема имеет два важных аспекта. Во-пер,)Ых, представляет интерес решение прямых задач распространения радиоволн - определение качественной хартпны п количественных характеристик воздействия неоднородной структур ,г ионосферы на параметры распространения. Во-вторых, весьма актуальным является noy ение возможностей решения обратных оадач распространения - диагностики ионосферных пеоднородностей по данным радиофизических экспериментов. Рассмотрению отих аспектов проблемы посвящена значительная часть материалов диссертации.

В результате интенсивных вксперименгадьных исследовании последних лет в области создания и изучения искусственных п лая ценных неоднородностеп в ионосфере накоплено большое количество первичных данных, которые во многом еще не подвергнуты обработке и интерпретации. Это относится, в частности, и ж уникальным экспериментам, проведенным Институтом прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова Роскомгидромета. Для круга оадач, рассма--триваемых в диссертации, наибольший интерес представляют данные такого сорта, полученные радиофизическими методами. В рамках те-I сного взаимодействия автора с коллективом сотрудников НПГ была проведена работа по обработке и интерпретации части отих данных, что и составило одну го наиболее важных частей работы.

Цель работы

При подготовке диссертации автор поставил целью по шиог-иости в связанном подходе рассмотреть физические механизмы генерации естественных неоднородностей в среднеширотной области Р.ионосферы, сформулировать количественное описание (математическую модель) одного по типов таких неоднородностей, и методами вычислительного окснеримента исследовать влияние неоднородной структуры.

на распространение радиоволн в ионосфере.

&

Применительно ж вопросам, связанных с искусственными неод-нородностями, цели работы, примерно, аналогичны. Однако следует отметить, что в круг оадач работы не вошли проблемы теоретического изучения ДЕнампкц самого искусствен, зго шшшешгого облака - таким исследованиям посвящен чрезвычайно большой список публикаций. Здесь же объектом теоретического анализа являются проблемы возникновения и ополю дни неоднородной структуры искусственных возмущений. В плане поучения влияния искусственных возмущений на распространение радиоволн, наоборот, рассматривается такое

влияиие самого плапменного облака "п среднем", как наиболее ярко выраженный оффевт. '

■ ч

Наряду с перечисленными выше целями.работы, связанными п большей степени с теоретическими и модельными раоработками, в оадачл диссертации пошли и экспериментальные исследования, "вторичного" характера. Последний термин предполагает отравить тот факт, что автор не принимал непосредственного участия в оксперимен-тальных работах, п его роль одесь оаключалась в ршэработке методн*, алгоритмов и программ обработки данных и интерпретации полученных реоультатов. С такой оговоркой к целям работы следует отнести п апалпо окспериментов по радпофтзической диагностике ионосферных неодпородностец естественного и искусственного происхождения.

Новиона работы

Далее сформулированы наиболее важные положения диссертации, которые могут претендовать на ту или иную степень оригинальности, то есть не имеющие, полностью пли частично, аналогов в предыдущих Исследованиях.

1. Раовит новый способ теоретического аналиоа условий воо-ппкновенпя плазменных неустойчпвостей в сильно неоднородной ио-посфере - нелокальное описание устойчивости ионосферной плаомы, пооволяющий существенно более адекватно рассматривать плазменные мехатгомл вообуидения неоднородностей в ионосфере по сравнению с "классическим" методом аналиоа дисперсионного уравнения. Па основе такого способа проанализированы условия вооникно; зния неустойчивостей п естественной среднешнротной ионосфере ц искусственных плаомеи ых воомущенпях в околоземном космическом пространстве. .

*

2. Предложен новый механизм формирования неоднородной структуры среднешнротной ионосферы в ночных условиях*. Количе-

ствеииое описание итого механизма. доведено до формы математической модели такого класса неоднородностей, представляемой с раолнч- , лой степенью деталиоацпи, раоличньш набором входных параметров (в зависимости от задач использования модели). На основе предложенной модели и путем вычислительного эксперимента проведен анализ (с оценочной точностью) влияния нерегулярной структуры среднеши-ротной области Е на ионосферное распространение радиоволн.

3. Впервые пропеден алалшз возбуждения и развития плазменных неустойчивостей в искусственных возмущениях в нелокальном подходе и исследованы вклады различных процессов д инкремент нестабнльпостей. Показана возможность генерации неоднородностей плазменными неустоичнвостями, и рассмотрена геометрия зон возбуждения неоднородностей. В приближении трехволнового взаимодействия проведены оценочные расчеты, и рассмотрен качественный характер нелинейной стадии развития неустойчивостей в искусственных плаоменных облаках в ионосфере.

4. На основа численных расчетов впервые изучены и спрогнозированы количественные характеристики возможного влияния искусственных ионосферных возмущений на работу радпосредств КВ диапазона.

5. С нспользовалиеи разработанных в диссертации методик обработки результатов радиофизической диагностики ионосферы впервые представлена картина временных оеоиюций шгокошщштион ионосферы, искусственных плаоменных возмущений п случайно неоднородной структуры ионосферы и искусственных возмущений.

Научная и практическая ценность работы

Научная значимость работы определяется, в первую очередь, тем, что, как надеется автор, в Диссертации развит ряд новых физических представлений о характере плаоменных процессов в ноносфе-

ре, позволяющих, в некоторой степени, продвинуться в нонпманпи механизмов формирования случайных нсоднородностей в естественной и искусственной околбземной плазме. Не меньшую научную ценность представляют полученные здесь результаты диагностики ионосферы как фактический материал для количественной и качественной проверки тех или иных представлений и моделей соответствующих ионосферных процессов.

Практическая ценность работы заключается, во-первых, п создании модели одного из типов нсоднородностей, которая может быть использована для решения ряда прикладных оадач. Во-вторых, практический интерес должны представлять реоультаты моделирования распространения радиоволн л присутствии, искусственных и естественных нсоднородностей. Эти результаты могут быть учтены при проектировании и эксплуатации раоличных радиотехнических систем, использующих ионосферное распространение радиоволн.

Структура и объем работы

Диссертация состоит по Введения, пяти глав п Заключения. Объ--ем работы составляет 231 страницу, включая 80 страниц иллюстративного материала и 11 страниц Списка лптератз'ры.

На оащиту выносятся следующие положения:

1. Нелокальный подход к описанию устойчивости сильно неоднородной ионосферной плаомы и реоультаты применения этого подхода к исследованию стабильности плаомы среднешпротной об. лети Е ионосферы и искусственных возмущений. Главным одесь является установление тоге что "традиционные" механизмы дестабилизации плазмы типа градиентно-дрейфового не могут обеспечить генерацию нсоднородностей в естественных условиях, хотя отл механизмы могут приводить ионосферную пп-.адму на границу устойчивости. -

2. Механизм формирования и количественное описание одного из типов неоднородностей ионосферной области Р. Этот механизм реализуется в условиях поддержания ионосферы неоднородным в горизонтальной плоскости потоком ионшации юз плшзмосферы (условия ночной ионосферы) и приводит к генерации умеренно вытянутых не-регулярностей концентрации плазмы в диапазоне масштабов порядка километров - десятков километров.

3. Результаты исследования влияния случайных неоднородностей рассмотренного типа на распространение радиоволн путем чи-

I сленного моделирования. Плавным результатом одесь является выявление ряда эффектов случайных неоднородностей, проявляющихся в форме систематических отклонений усредненных характеристик распространения при наличии неоднородностей от их значений при отсутствии последних.

4. Механизм генерации неоднородной структуры искусственных плазменных образований. Показана возможность формирования стратификации бариевых облаков оа счет развития плазменных неустойчиво стен градиентного типа при существенном вкладе в дестабилизацию многожомпонентности ионного состава и различий высотных зависимостей подвижно стеи олектронов и ионов.

5. Результаты радиофизической диагностики ионосферы и плазменного облака в эксперименте "ЭКВАТОРИАЛЬНЫЙ ТРИГГЕР" с использованием методики определения параметров плазмы по данным ионозондовых и многочастотных, .дошшеровских измерений. Представлены уникальные данные по динамике е-ваториальной ионосферы и искусственного возмущения в этом эксперименте, включая временные вариации регулярных и случайно неоднородных параметров плаомы.

Личный вклад автора

Примерно половина объема работ, послуживших основой диссертации, выполнена по инициативной тематике в НИИ прикладной фиоики при Иркутском университете лично автором или в соавторстве с сотрудниками института и студентами фиоического факультета ИГУ, у котормх автор был руководителем курсовых и дипломных работ. Это относится, в основном, к теоретическому исследованию и математическому моделированию процессов генерации естественных ионосферных неоднородностей и исследованию распространения радиоволн в ионосфере со случайными естественными нерегулярностями. Во всех работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат постановки оадач il, в той или иной степени, разработки методов их решений, в том числе, вплоть до рсалииацнп вычислительных алгоритмов п программ. Вторая половина работ выполнена в рамхах договоров, в которых автор принимал участие как руководитель или ответственный исполнитель. Здесь части публикаций, вошедших в диссертацию,

выполнена при паритетном участии сотрудников НИИ прикладной фи-«

оики и Института прикладной геофиоики им. академика Е.К. Федорова Росгидромета.

Исключительно автору принадлежат разработки в части: * нового механизма формирования неоднородностей среднешп-ротной области F ионосферы и его математического моделирования;

- моделирования влияния неоднородностей на распространение радиоволн (во всех описанных аспектах).

Апробация реоультатов и публикации •

Основные выводы и положения, выносимые на оащиту, докладывались и обсу .(далпсь на научных семинарах лабораторий физики, ионосферной плаомы и распространения радиоволн НИИ прикладной

фиоики при ИГУ, региональной конференции "Радиофизика и электроника: проблемы науки и обучения" (Иркутск, 1995 г.)| XII - XVII юн-, ференциях по распространению радиоволн, регулярных совещаниях по проблеме "Неоднородная структура ионосферы" и "Специальные вопросы фтшжи ионосферы и распространения радиоволн", 2 международных коллоквиумах и ассамблеях СОБРАЛ (Тьабой 1993 г. н Мюнхен 1994 г.).

Результаты исследований, использованные в диссертации, опубликованы в 28 печатных работах в отечественных и оарубежиых периодических изданиях и отдельных сборниках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ сформулированы основные проблемы, рассматриваемые в диссертации - вопросы фиоики ионосферных неодноро-дностей и распространения радиоволн в случайно неоднородной ионосфере. Конкретгоованы оадачи работы. Отражены формальные моменты, связанные с представлением диссертационной работы.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена теоретическому исследованию и математическому моделированию процессов генерации и формирования естественных иеоднородностей среднеширотной области Р ионосферы (главным обраоом в ночных условиях).

В п.1.1 рассмотрены механиомы вообуждения плазменных не-устойчивостей градиентного типа. На основании известных экспериментальных свидетельств об умеренной вытянутости неоднородно-

I

степ вдоль геомагнитного поля показано, что традиционный метод анализа возможностей развития таких нестабильностей с использованием локального дисперсионного уравнения не является адекватным. Поскольку для рассматриваемых иеоднородностей с продольны-

мп размерами порядка десятков километров фоновая ионосфера является сильно неоднородной, необходим нелокальный подход к теоретическому исследованию неустойчивостей. Для условий области Р ионосферы средних широт, такой подход здесь и развивается. Б математическом аспекте нелокальный подход сводится к нахождению собственных функций и собственных значений линеаризованной системы интегро - дифференциальных уравнений, описывающих оволюцнга малых начальных воомущений в системе. Был разработан численный алгоритм решения такой оадачп. С нспольоованпем модельных представлений о характере вертикального распределения ионосферных параметров проведены расчеты вооможных инкрементов неустойчпвостей градиентных типов. Сравнительный анализ вкладов рапличных процессов в вообужденпе пестабильностей выявил важность некоторых дополнительных факторов дестабилизации в сравнении с осно-. вным, при локальном описании, градиентно-дрейфовым механиомом. К таким факторам относится разность высотных оависимостей подвижно стел олехтронов и ионов, а также наличие в плазме более одного сорта поноз - гтогокоМпонентность плаомы. В реоультате численных • расчетов было обнаружено, что при учете только "традиционных" ионосферных факторов можно констатировать, что в наиболее оптимальных для воонпхновення пестабильностей условиях ночной средне-широтной ионосферы инкременты могут составлять величину порядка обратных часов. Иными словами, хотя ионосфера и может находиться на грани устойчивости, темпы раовития пестабильностей явно недостаточны для эффективного раовития неодпородностей оа врем., относительной стационарности ионосферы (не более нескольких Ч^сов).

В п. 1.2 для ^.рсднеширотной ночной ионосферы предложен новый механизм формирования неоднородной структуры, не связанный с "традиционными" представлениями о генерации случайных ьорегу-лярностей оа счет развития неустопчппостеп, лпбо под воздействием

волновых воомущений в нейтральной атмосфере. Предлагаемый меха-

низм должен иметь место в условиях, когда область Р поддерживается . нисходящим потоком п лап мы из плазмосферы. Если такой поток случайно неоднороден в горизонтальной плоскости на некоторой условной верхней границе ионосферы, то ниже этой границы такие неоднородности потока проявлялись бы в виде "столбов" пониженной или повышенной (относительно средней) концентрации плазмы, вытянутых" вдоль геомагнитного поля. В силу имеющей место высотной зависимости скорости горизонтального дрейфа плазмы, связанной с высотным ходом частоты столкновений ионов, такие "столбы" искривляются -отклоняются от направления магнитного поля по мере уменьшения высоты, пересекают магнитные силовые пинии. Т^ким образом, с углублением вниз от верхней границы неоднородности затухают за счет продольной диффузии при пересечении линий поля. Эффективность оатухания оависит от горизонтальных размеров неоднородностей втекающего потока так, что меньшие масштабы исчезают с глубиной быстрее больших. Рассмотренная качественная картина описала и количественно на основе гидродинамической модели ионосферной плазмы.

Распределение возмущений концентрации вдоль вертикали г при задании возмущений потока на верхней границе в виде синусоиды (в горизонтальной плоскости) с длиной волны Л описывается формулой:

где Н - шкала высот нейтрального газа, #,• - плазменная шкала высот, и //о - бесселевы функции, а - зависящий от ионосферных параметров кооффдциепт, V - горизонтальная скорость движения плазмы как целого. Ряд предположений, использованных при разработке модели, ограничивает диапазон рассматриваемых горизонтальных размеров

и ~ ехр

»к

велпчинамп в километры - десятки километров.

Представление о виде вертикальногй ичофиля воомущеинй дает рисунок 1. ,л

М,п

Рпс.1

Здесь кривые 1, 2, 3 - высотные (нормированные) оавнспмостп воомущений концентрации п при различных А (длина волны увеличи-. вается с номером кривой). Кривая 4 - нормированный К(Н)-профиль фоновой ионосферы. Рисунок иллюстрирует описанные выше особенности рассматриваемых неоднородностей.

Следующий п. 1.3 первой глапы посвящен вопросам математического моделирования случайных нерегулярностей описанного в п. 1.2 типа. Для прикладных целей (в частнйстп, для моделирования распространения радиоволн) с испольоованием асимптотическое представление формулы (1) раоработана прикладная математическая модель данного типа нерегул"лиостей. Двухмерное поле неоднородностей концентрации оадается выражением

ЛN(x,z,t) =

-2НГ"'

соз I А

(2)

\| Лу А; )

Основными входными параметрами такой модели а в лаются ряд характеристик фоновой ионосферной плаомы, определяющих коеффнцпент Л, и спектр Б] гориоонтальных масштабов неоднородностей втекающего потока ионизации на верхней границе. Параметр 6г пооволяет сдвигать по высоте ноле неоднородностей в модели как целое.

В отом же разделе представлены графические иллюстрации поля неоднородностей, рассчитанного по модели для раоличных условий, что дает возможность более наглядного представления о характере рассматриваемых нерсгулярностен.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ диссертации представлены материалы, касающиеся теоретического исследования процессов генерации и развития случайно неоднородной структуры искусственных плазменных образований в ионосфере, образованных инжекцией плаомообразующшс веществ. В искусственных возмущениях в еще большей степени, чем длл естественной ионосферы, проявляется сильная неоднородность фона при формировании нерсгулярлостсй. По отоп причине и здесь использовался нелокальный подход к описанию нлаименных неустойчи-востей, развитый в первой главе.

В п. 2.1 проведено исследование линейной стадии плазменных ие-устойчшюстеы в искусственных возмущениях. Анализ устойчивости пладмы показал, что, ь отлитие от естественной ионосферы, плазменная неустойчивость вполне может являться главным механизмом генерации неоднородностей б искусственных барт»евых ионизованных облаках. Значительно большие величины инкрементов иеустойчиьостей обусловлены одесь большими градиентами концентрации п высокими скоростями движений ионизованных компонент. Кроме того, наряду с градиентно-дрейфовыми механизмами неустойчпвостей, в бариевых облаках весьма велик вклад в нестабильность многокомпонентности

нонного состава с существенно раолпчньшп атомными весами фоновых (легких) и инжектированных (тяжелых) ионов. Типичные о начеши инкрементов неустойчивостп порядка десятков обратных секупд обеспечивают развитие нестабилыюстей до нелинейной стадии оа время жиони облака.

Рп *. 2

Определенные особенности качественной картины генерация зге-устолчнвостен соотпетствугот экспериментально наблюдаемым феззо-мезтм стратификации искусственных барпевнх облаков: возбуждение неустойчивостей на перлферпп облака п с одной его стороны, продольные рмэмеры воомущештвз порядка размера облака ггрп поперечных рапмерах в ззесколько pao меньше, Рпсузгок 2 иллюстрирует распределение величины инкремента в плоскости, перпезздпЕулярной к ге-омагззлтному полю в типичных для искусственных пладмезшых обра-оований в средпешпротной ионосфере условиях. Здесь пузгкиярои изображена условная грзпгттта основного Еоомущения. Показазш яоояиппл равного пзшремента, а оаштрпховазшой областью покапана, оона иях-елмальзгаго инкремента (лрепышающего вели ¡пну 5 10~2с-1). Именно одесь Следует ожидать развития неоднородностей - стратификации возмущения.

не-

эффективность плазменных мехалиомов генерации неодноро-дностей сделала целесообраоной рассмотрение нелинейной стадии развития неустойчивостей в облаке. В п. 2.2 было разработано математическое описание процессов трехволнового воаимодействия при раз-витип нестабильностей и получены оценочные данные о нелинейной стадии. Основные результаты такого моделирования сводятся к следующему: на нелинейной стадии развития каждая ио гармоник спектра волн, составляющих суперпооицию, выходит на квазистационарный уровень, когда амплитуды гармоник флуктуируют (и весьма зна-читедыю) около средних значений. На нелинейном отапе развития неустойчивости относительные флуктуации концентрации плазмы в гармониках могут достиг ать процентов и даже десятков процентов. Выход на кваз: стационарный режим происходит оа время порядка нескольких обратных инкрементов неустойчивости.

Наряду с ген /ацисй относительно крупномасштабных неодно-родностей искусственных возмущений в п. 2.3 рассмотрены механизмы возбуждения неустойчивостей мелкомасштабных волн. Такие неустойчивости могут быть причиЛой формирования нерегулярностей концентрации плазмы, оказывающих влияние на распространение КВ и УКВ дифракционного характера - рассеяние радиоволн. Речь идет о пространственных масштабах порядка метров - десятков метров и характерных временах от долей секунд до десятков секунд, что заставляет применять для анализа устойчивости кинетическое описание плазмы. При ряде ограничении на параметры плазмы было сформулировано кинетическое дисперсионное уравнение, численное решение которого позволяет получать величину частоты и инкремента неустойчивости колебаний как функцию волновых векторов и параметров среды. Было показано, что в условиях искусственных возмущений возможно развитие кинетических плазменных неустойчиво"тей, если реализуется ситуация, когда олектроны сильно замагничены, а ионы можно счи-

тать неоамагниченными. Такая картина может иметь место при больших частотах столкновении ионов с нейтральными частицами. Тккже как и для крупномасштабных неоднородностей, одесь обнаружен существенный вклад в нестабильность многокомпонентности плазмы. Численные оценки показали, что в искусственных неоднородностях возможно развитие кестабильностей метровых и декаметровых масштабов за время порядка секунд.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА работы содержит материалы, посвященные исследованию ме- эдом численного эксперимента, влияния естественных случайных неоднородностей на распространение радиоволн в ионосфере.

В п. 3.1 представлены методики проведения численных экспериментов. Исследования проводились с помощью имитационного моделирования распространения радиоволн в приближении геометрической оптики, то есть, рассматриваются, в основном, рефракционные эффекты неоднородностей. Сформулирована базовая система лучевых уравнении для расчета траекторий распространения как функций параметра, в качестве которого выступает групповое время распространения. Базовая система расширена уравнениями для определения гео-метрооптической фокусировки - меры энергетики сигнала в точке приема, а также допплеровского смещения частоты при прохождении сигнала в нестационарной среде. Для решения конкретных оадач представлены две формы уравнений: в прямоугольной двухмерной декартовой системе координат и трехмерной сферической системе (над сферической Землей).

О применением разработанной в первой главе модели неоднородностей в п. 3.2 проведен анализ влияния случайных неоднородностей на распространение коротких радиоволн на наклонных односкачковах среднешпротных радиотрассах. Анализ выполнен при использовании метода статистического моделирования (Монте-Карло). Обнаружено,

в частности, что, несмотря на нулевые средние оначения воомущений концентрации в неоднородностях, нерегулярности обусловливают систематические средние'отклонения основных характеристик распространения от их оначений в отсутствии неоднородностеи. Имеет место среднее смещение дистанционно-угловой характеристики в область меньших дальностей, увеличение углов прихода лучей и групповых запаздываний сигналов, шменение фактора геометрооптической фокусировки. Систематические отктонения связаны с наличием выделенного направления (направления иогиба "столбов" неоднородностеи относительно трассы распространения) и вертикальными градиентами параметров неоднородностеи. Указанные эффекты довольно малы количественно, но при величинах относительных воомущений концентрации в неоднородностях порядка процентов могут составлять оначения, доступные экспериментальным наблюдениям. Наиболее существенно эффекты должны проявляться для верхних лучей.

Пример результатов расчетов но описанной методике представлен на рисунке 3, где покаоаны зависимости углов прихода лучей

от дальности в отсутствии неоднородностей (жирная кривая) и для ряда значений интенсивностей неоднородностей (тонкие линии). Рисунок иллюстрирует основные оффекты неоднородно стой - смещение гпалицы мертвой зоны, помененпе углов прихода.

Аналогичным образом в п. 3.3 проведены расчеты влияния не-« регулярностей и на кваоивертикальное распространение, что интересно для исследования роли неоднородностей в формировании высотно-частотных характеристик вертикального зондирования ионосферы. В данном случае фактически проиоводится численный "спнтео" модельных ионограмм 6 учетом возникновения многолучевостп и временного усреднения. Так же как и в случае наклонного распространения, при вертикальном зондировании неоднородности приводят к систематическим средним помспеншш ионограмм, в частности, к уменьшению группопых запаздываний охо-сигнала. За счет многолучевости даже "мгновенная" иоиограмма должна представлять собой диффуоный (уширенный) трек. К ушярению приводит и временное накопление и усреднение. Модельные расчеты позволяют выявить количественные соотношения между оначениями относительной интенсивности возмущений плотности плазмы и величинами ушпрения треков ионограмм. Такие соотношения были получены и проанализированы. Было, в частности, продемонстрировано, что используемая рядом авторов оценка относительных возмущений концентрации в неоднородностях, равная удвоенному относительному уширению по частоте высокочастотного конца трека нонограммы, неверна.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассматриваются вопросы !.лшшия на распргстраненпе радиоволн искусственных плазменных образований, возникающих в ионосфере при инжекцин плазмообразующнх веществ. Как и в третьей главе, инструментом исследования является матема-тичесюе'моделиропание процессов распространения.

В п.4.1 и п. 4.2 для наклонного падения воли на ионосферу с ис-

кусственньш воомущением исследовались количественные проявления последнего в модификации естественных и формировании искусственных оон молчания по дальности и по апимуту, иоменения распределений по поверхности онергетики принимаемых сигналов и других характеристик распространения. При »том рассматривалось как простое односкачковое распространение на наклонной трассе - п. 4.1, тах и воовратно-наклонное зондирование и формирование сигналов обратного отражения от искусственного образования - п. 4.2. С целью максимального приближения к моделированию реальных условий исполь-оовалось полуемпирическое описание фоновой ионосферы. Результаты моделирования однозначно свидетельствуют о том, что даже сравнительно небольшие по интенсивности и размерам искусственные возмущения могут сильно влиять на наклонное распространение коротких радиоволн. Ткх, в реоультате соодания на высотах области Р искусственной неоднородности с размерами порядка десяти километров, на поверхности Земли могут формироваться ооны существенно отличной

от естественных условий онергетики (фокусировки и дефокусировки)

•

принимаемых сигналов площадью в тысячи квадратных километров.

Рпс.4

Рисунок 4 иллюстрирует характерные особенности влияния уе-

диненной плазменной неоднородности на наклонное распространение радиоволн. Здесь в координатах D - дальность вдоль дуги большего круга и L - расстояние поперек дуги большего круга показаны ооны н . поверхности Земли влияния искусственного воомущения. В отсутствии искусственной неоднородности вертикальная линия на рисунке обозначает границу мертвой ооны. При наличии воомущения вся область I окранпрована от получателя, область II - область, полностью доступная для прихода лучей, область III экранирована для нижних лучей и доступна для верхних, область IV - наоборот, доступна для нижних и экранирована для верхних лучей.

В п. 4.3 представлены результаты вычислительных экспериментов по исследованию воодействпя искусственных возмущений на: распространение радиоволн при вертикальном и слабо наклонном оон-

г

днрованип. Такое моделирование представляет интерес, прежде всего, для интерпретации наблюдаемых в реальных окспериментах весьма "экзотических" понограмм вертикального зондирования в присутствии искусственной неоднородности. В отой связи реоультаты расчетов здесь представлены в форме "синтезированных* понограмм - высотно-частотных характеристик (с оценками энергетики). Были рассмотрены различные варианты формирования высотно-частотных характеристик. Установлено, что наблюдаемые понограммы могут быть интерпретированы как реализации нескольких (по отдельности или с наложением) путей распространения сигналов с участием только ионосферы (обычная понограмма), обратного отражения от возмущения, по траекториям, контролируемым как ионосферой, так'и неоднородностью. Эти варианты могут, как было показано, модифицироваться более "тонкими" механизмами - аналогами ионосферного распространения верхним и нижним лучами. Как показали энергетические оценки, все эти механизмы распространения могут иметь место в реальности, достаточно четко раяделяться на ионограммах, что и

объясняет их "экзотический" вид при проведении активных экспериментов в ионосфере.

Заключительная ПЯТАЯ ГЛАВА диссертации посвящена радиофизической диагностике ионосферы и ее неоднородной структуры. Представлены методики обработки даннь!х радиозондирования и ре-оультаты применения этих методик к материалам, полученным в серии экспериментов "ЭКВАТОРИАЛЬНЫЙ ТРИГГЕР".

В и. 5.1 и и. 5.2 раовиты теоретические предпосылки решения обратных оадач диагностики среды распространения радиоволн по данным о групповых оапаодываниях и вариациях фазовых путей сигналов, обратно отраженных ионосферой. Разработаны и протестированы на модельных оадачах алгоритмы и программы восстановления распределений конце].трации плаомы вдоль луча по частотным зависимостям групповых задержек (п. 5.2) и временных вариаций таких распределений по многочасто. лым допплерограммам (п. 5.1). Для обеих оадач использован единый подход - инверсия Абеля. 'Методики позволяют определять как регулярные вариации распределений, так и флуктуации, связанные со случайными неоднородностями ионосферы и искусственных плазменных образований.

Для восстановления истинной высоты (или дальности) отражения г(/о) сигнала на частоте /0 - удаленности поверхности плазменной частоты /о по высотно-частотной характеристике обратного зондирования /¿'(/) формулируется расчетная формула:

/о /о2

Г(/„) = го + 1/>о2/А

о о '

где Го - координата основания ионосферы или границы искусственной неоднородности.

По данным многочастотного долплеровгкого зондирования, представленным в виде временных вариаций раоности набега фаз от-

ЩП-га

7

(з)

ражеииых сигналов на каждой ш частот оондпроваиия ы между текущим и начальным моментами времени Д<£(и>, Д*) определяется разность соответствующих дальностей отражения как функция Д*:

' <4>

где Р(зи) = §Д</.(ж,Д0-

В п. 5.3 обработаны данные вертикального и многочаститно-го допплеровсЕого зондирования экваториальной ионосферы и искусственного воом} .ценил в конкретном эксперименте. Применение методик к зондированию фонолой ионосферы пооволило выявить интересные особенности динамики плазмы, связанные, возможно, с образованием "экваториальных пузырен". Диагностика естественных случайных неоднородностей выявила пространственные и временные корреляционные свойства флуктуации концентрации плазмы. В. частности, представлена интерпретация поля неоднородностей, как вертикальной волновой структуры с переменными амплитудой п длиной волны.

В п. 5.4 применительно к искусственной неоднородности разработанные методики позволили установить детальную картину эволюции плазменного возмущения.

Использование модельного описания неоднородности дает временные изменения ее параметров. На рисунке 5 покаоана временная эволюция плазменной частоты /р в центре облака, радиального (поперечного к магнитному полю и продольного к зондирующему лучу) масштаба возмущения //„, расстояния по лучу до центра облака Ят и продольного к магнитному полю (поперечного к лучу) масштаба Ег.

Установлены также ц параметры неоднородной структуры пскус-:твенного возмущения. Показано, например, что на периферии плазменного о'блака развивается волновая структура возмущении концентрации. Определены корреляционные свойства такой структуры.

100

Гр МГц

20

II2 КМ

328 »с 0

328 (с

225

200,

Пщ км

Нх отаос. (д.

328 и 0

328 г с

Рпс.5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ содержит важнейшие выводы, следующие по материалов дпссертацли:

1. Для корректного рассмотрения механиомов плазменных неустойчивостей, как источника генерации неоднородностеп в области Е ионосферы, необходимо пспольоовать нелокальное описание неста-бильностей.

2. В естественных условиях среднеширотпой области Е ионосфе-. ры "традиционные" механизмы плазменных неустойчивостей не могут

рассматриваться и качестве генератора неоднородной структуры.

3. Предложен и описал количественно способ формирования умеренно вытянутых неоднородностей верхней ночной ионосферы средних и умеренно высожих широт в оимних условиях;

4. Показано, что. в искусственных плазменных возмущениях, образованных пнжекцией плаомообразующих веществ в ионосферу, могут реализовываться условия для эффективного развития плазменных неустойчивостей, и крупномасштабные неоднородности, генерируемые такими неустойчивостями, должны иметь ряд свойств, наблю-

даемых в окспериментах.

5. Плазменные нестабильности в кинетической области их параметров могут генерировать мелкомасштабные неоднородности искусственных плаомешшх образований, наблюдаемые при радиолокации последних.

0. Случайные неоднородности рассмотренного типа должны проявляться, в частности, в регулярных изменениях характеристик распространения коротких радиоволн на наклонных ионосферных радиотрассах и при вертикальном зондировании ионосферы с количественными оценками таких проявлений, приведенными в главе 3.

7. На основании моделирования ионограмм вертикального оон-дирования ионосферы со случайными неоднородностями показано, что часто используемая оценка интенсивности неоднородностен концентрации плавмы по уширенпю треков ионограмм неверна.

8. Покапано, что искусственные плапмениые возмущения, инжектированные и ионосферу, могут оказывать очень существенное влияние на ионосферное распространение радиоволн, как по отношению к условиям невоомущениой ионосферы, так и в сравнении с влиянием искусственных возмущений ионосферы, возникающих при воздействии мощных радиоволн.

9. Продемонстрирована возможность интерпретации особенностей ионограмм искусственно-возмущенной ионосферы, как результата сложного, многомодового распространения радиоволн при совместной рефракции в ионосфере и искусственной неоднородности.

10. Реализована методика диагностики ионосферы и искусственного тлааменного возмущения по данным ионозондовых измерений п многочастотного допплеровского зондирования.

11. На основе укаоанной методики радподиагностики получен интересный фактический материал по динампке ниакошпротной ионосферы, ее неоднородной структуры, искусственного возмущения п

s

неоднородиостей в нем прп проведении експерпмента "Экваториальный триггер".

Сформулированынаиболее интересные и перспективные задачи ц направления дальнейших исследований, которые целесообраоно было бы провести в будущем.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публи-жациях:

1. Иванов В.Б., Свистунов K.D. Рефракция радиоволн на искусственных возмущениях ионосферы: численный эксперимент //Иов. вузов. Радиофизика. 1981. Т. 24. С. 420.

2. Савельев С.М., Иванов В.Б. О возмущениях электронной концентрации при локальном нагреве слоя F ионосферы//Геомагнетиом и аэрономия. 1176. Т. 16. С. 356.

3. Иванов В.В., Павлов H.H., Сидоров И.М. О глобальном характере воомущениГ ноиосферно-магнптосферной плазмы прп воздействии мощных радповолн//Геомагнетизм и аэрономия. 1980. Т. 20. С. 157.

4. Иванов В.Б., Поляков В. hi. , Коен М.А., Сидоров И.М. Детерминированные модели ионосферы применительно к оадачам прогноза распространения радповолн//Техннка средств связи, серия: Система связи. 1982. Вып. 2. С. 10.

5. Нвалоп В.Б., Рудых С.А. Ионосферные неоднородности: подход к теоретическому исследованию и математическому моделированию. ВИНИТИ. 1984. Деп. N 4754 - 84.

; 6. Иванов В.Б., Павлов H.H. Об эффектах омического нагрева ионосферы мощными радповолнамп//Геомагнетпом и аэрономия. 1981. Т. 21. С. 543.

7. Иванов В.Б., Коен М.А., Рудых С.А. Г}>адпентно-дрейфовая неустойчивость в искусственных вопмущениях' ионосфе-ры//Космические исследования. 1988. Т. 26. Выи. 1. С. 159.

8. Иванов Б.Б., Рудых С.Л. К интерпретации понограшл средне-ншротного F-paccesiraa//DeoMan!eTmm п аэрономия. 1989. Т. XIX. С. 519.

9. Гефан Г.Д^ Иванов В.Б., Хаданов Г.В. Об одной цехаппз-ые усппзнпя свечения верхней ионосферы при воздействия мощными радполо1ш//Геоиагиетпон и аврошшия. 1981. Т. 21. С. 727.

10. Иванов В.В., Рудых С.Л. О прогнозировании неодноро-дчостей верхней ионосферы, влияющих на распространение коротких радиоволн. XIV Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Тез. докл. Т. 1. М.: "Паука". 1304. С. 164.

11. Гельберг М.Г., Нзанов В.Б., Рудых С.Л., Федоров В.Л. Образование неоднородностей в области F среднешпротной ионосферы (нелокальное npn5ü!iHeiine)//Tp. Аркт. и Антарят. НИИ. Ленинград. 1989. Т. 412. С. 64.

12. Иванов В.Б., Павлов H.H., Сидоров ILM. Модель возмущений верхней ионосферы мощными радиоволнами//Геомагнетизм п апронония. 1981. Т. 21. С. 233.

13. Иванов В.Б. Матенатичесгор моделпрояанпз некоторых иро--цессов возмущения ионосферы ттотцньши радкг-лолланп. Диссертация' па соискание степени кандидата физико-математических nays. IIa правах рукоппеп.. Иркутск. 1G81.

14. Иванов В.Б. Формирование неоднородной структуры в аб-настп F среднешпротной папосферы//Нзв. вузов. Раднофпзыгса. 1000. Г. 33. С. 1033.

15. Ivanov V.B., Truthan A.A., Iíhazanov G.V. Mid-latitude F-region ionosphere plasma stability in the presence of photoeIcctrons//Ann. Geophys. 1982. T.38. Fase, 1. P. 33. ' .

lö. Гохиан E.M., Иванов В.Б. О генерации мелкомасштабных *

геоднородностей в поинзопанных бариевых облаках//Геомагнетизм и юрономия. 1991. Т. 31. С. 201.

17. ГЪхман Е.М., Иванов В.Б., Рудых С.А. Нелокальное описание плазменной неустойчивости в области F ионосферы//Иов. вузов. Радиофиоика. 1989. Т. 32. С. 538.

18. Иванов В.Б., Рудых С,А. Развитие крупномасштабных неод-иородностей в области F ионосферы//Ионосферные исследования. М.: Наужь. 1986. N 41. С. 22.

19. Гефан Г.Д., Иванов В.Б., Хаоанов Г.В. О вооможном механизме усиления свечения верхней атмосферы при воомущенип ионосферы мощными радиоволнами. XII Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Тез. докл. М.: Наука. 1981. Т. 1. С. 142.

20. ГЪхман Е.М., Иванов В.В., Рудых С.А. О механизмах стратификации ионизованных бариевых облаков в ионосфере//Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т. 31. С. 143.

21. Иванов B.i-. Статистическое моделирование распространения коротких радиоволн в ионосфере с неоднородностямп// XVII Конференция по распространению радиоволн. Тез. докл. Секция 9. 1993. Ульяновск. С. 32. *

22. Иванов В.Б., Сажин В.И., Суходольская В.Е. Ионосферные неоднородности и их влияние на распространение радиоволн. Иркутск: Иод. Иркутского университета. 1993.

23. Иванов В.Б., Митюков Т.В. Моделирование эффектов случайных неоднородностей при вертикальном зондировании ионосферы. В кн. Природные ресурсы, экология и социальная среда Прибайкалья. Toil III. Иркутск. Иод. Иркутского университета. 1995. С. 183.

24. Иванов В.Б. Моделирование распространения радиоволн в попосфере со случайными неоднородностями. Радиофиоика и электроника: Проблемы науки и обучения. Иркутск: Иод. Иркутского университета. 1995. С. 108. '

25. Faermark D., Ivanov V., Lebedeva Т. at al. Three - dimensional

evolution of artifical ion clouds in the lowlatltude ionosphere: experiment and modeling. COSPAR Colloquium on low - latitude ionospheric physics. Taipei. Nov. 9 -12, 1993. Abstracts. P. 36.

26. Иванов В.Б., Лапшин A.H. Многочастотна! диагностика ионосферы: методика и численный эксперимент. Радиофиоика а электроника: Проблемы науки и обраоования. Иркутск: Иод. Иркутского университета. 1995. С. 114. .

27. Иванов В.Б., Намаооп С.А., Романовский Ю.А. Радиодиаг-ностняа ннокошнротной ионосферы в эксперименте "Экваториальный триггер". Радиофизика и электроника: Проблемы науки п образования. Иркутск: Иод. Иркутского университета. 1995. С. 119.

28. Namazov S., Nikolaishviii S., Itomanovsky Y., Ivanov V. Dynamics and structure of ion clouds in the ionosphere from multifrequency Doppler sounding. 30th COSPAR Scientific Assembly. Hamburg, Germany, 11 - 21 July 1994. XXX Advances in Space Researc. Pergampn Press. • •

Подписано в печать 22.11.95. Формат 60x90 1/16. Бумага гаоетная. Печать офсетная. Уса. печ. а. 2. Уч.-нод. я. 1.8. ТЪраж 100 его.

План 1995 г. Поо. 19. Эах.20 . Бесплатно. -

Редажцнонно-ио^ательсхий отдел Иркутского государственного университета 664003, Иркутск, бульвар Гагарина 36