Особенности формирования искусственной ионосферной турбулентности в различных ионосферных условиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ргв од

1Ь С£11 ЬЗЗ

Госкомвуо России Ордена Трудового Красного Знамени Паумно -нсследовательский радиофизический институт

На правах рукописи

Сергеев Евгений Николаевич

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННО!! ИОНОСФЕРНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ В РАЗЛИЧНЫХ ИОНОСФЕРНЫХ УСЛОВИЯХ.

Специальность /01.04-03/ радиофизика.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

■пг

фф

Ни;кнпй Новгород- 1 ОПТ)

Работа выполнена г, Нижегородском научно-исследовательском радиофизическом институте

Научный руководитель: канд. физ.-мат. наук, в.н.с.,

ФРОЛОВ В. Л.

Официальные оппоненты: докт. физ.-мат. наук,

профессор

ТРАХТЕНГЕРЦ В. 10. канд. фио.-мат. наук, в.п.е., ТОКАРЕВ 10. В.

Псдущая организация: Институт немного магнетизма, ионосферы и распространения радиоьолн РАЬ.

'Защита диссертации состоится " №о^теЗТ/иР 1995 г. и /¿"мае. 30 мин. па заседании специализированного совета Д 06-1.05.01 при Научно-исследовательском радиофизическом институте? (НГ1РФИ). Адрес: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, 25,

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ППРФП.

Автореферат разослан " 7 " егит^^ 1995 г. Умении секретарь

специализированного совету ,

канд. фпз.-мат. наук, с.н.с.Е. Н.

/ /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Изучение особенностей взаимодействия мощного радиоизлучения с плазмой является одной из важнейших ¡задач физики плазмы сегодняшнего дни. Важным этапом в исследованиях от он проблемы явились эксперименты по воздействию мощным радиоизлучением на F-слон ионосферы, осуществленные в семидесятых годах в США и СССР. В этих экспериментах был обнаружен ряд новых явлений, связанных с генерацией интенсивных мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородно стей (МШШ). Генерация МШШ сопровождается аномальным ослаблением (АО) самой полны накачки (ПН) и вызывает интенсивное ракурсное рассеяние радиоволн КВ и УКВ диапазонов, что привело к использованию последних для диагностики свойств мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности (МИИТ). Другим направлением и проведении активных экспериментов по воздействию на ионосферную плазму является исследование явлений, связанных с возбуждением ленгмюровской и ионно-зпуковой плазменной турбулентности, вызывающей развитие эффекта стрикцнон-ного самовоздействия (ССВ) мощной радиоволны вблизи уровня ее отражения. Изучение свойств плазменной турбулентности активно проводится с использованием метода некогерентного рассеяния радиоволн.

В 1981 г. в экспериментах по модификации ионосферной плазмы мощным радиоизлучением было обнаружено искусственное радиоизлучение ионосферы (ПРИ). Предпринятые широкомасштабные измерения его динамических и спектральных характеристик, позволили выделить п спектре излучения отдельные его компоненты. Исследования свойств и механизмов генерации излучения выявили определяющее влияние низкочастотной и высокочастотной искусственной плазменной турбулентности на процесс его формирования.

Исследуемый в диссертации круг вопросов является частью интенсивно проводимых п России, США и Европе экспериментальных работ пи изучению свойств искусственной турбулентности F-области ионосферы. В диссертации всесторонне пронализировани проведенные автором экспериментальные исследования эффекта ССВ ВН, эволюции спектра МИИТ, свойств ИРИ в зависимости от параметре воздействия и состояния ионосферной плазмы. Это позволило провести систематизацию большого обьемп экспериментальных данных, полученных с помощью различных методой диагностики возмущенной ионосферной плазмы, н стимулировало разработку моделей эволюции спектра МШШ н ПРИ.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование млмчшь' параметров воздействия (м церчук очер«дь - - ч;иптг

1!11, ее мощности и режимов получении), а также состояния ионосферной плазмы на процессы формирования в возмущенной F-областн ионосферы как низкочастотной МИИТ, так и высокочастотной плазменной турбулентности (BIIT). Исследование проводится на основе анализа данных измерений характеристик эффекта ССВ BII, эволюции спектра МИИП, а также динамики различных спектральных комнонент-ИРП, полученных с использованием различных методов диагностики инициируемых мощной радиоволной исусственных возмущений ионосферной плазмы.

Научная новизна работы заключается в следующем. Использование широкого диапазона частот воздействия в экспериментах но модификации ионосферной плазмы с помощью мощного радиоизлучения позволило провести исследования искусственной ионосферной турбулентности (ИНТ) практически на всем высотном протяжении F-обдасти ионосферы и выявить существенное изменение свойств возмущенной плазмы и характеристик нелинейных эффектов в зависимости от частоты ВН и состояния ионосферы.

Комплексный подход к исследованиям особенностей формирования ИНТ с использованием различных методов ее диагностики позволил по результатам различных измерений разработать модели эволюции спектра МИИТ и ПРИ. На их основе показана возможность практического использования результатов измерений ИРИ как вполне самостоятельного метода исследований свойств низкочастотной и высокочастотной искусственной турбулентности ионосферной плазмы.

Практическая ценность. По данным измерении характеристик МИНН составлена эмпирическая модель эволюции их спектра, которая была апробирована при численном моделировании динамики широкополосной компоненты ИРИ, позволившего выявить хорошее соответствие данных эксперимента и теоретических расчетов. Сопоставление эволюции излучения с результатами численного моделирования открывает широкие возможности дчя нового метода диагностики свойств МИИТ с помощью искусственного радиоизлучения.

Разработанная методика экспериментального исследования свойств ППТ с помощью ИРИ и результаты численных расчетов свидетельствуют о возможности исследования эволюции иозбуждаемых плазменных волн и намерения некоторых параметров ионосферной плазмы, определяющих декременты их затухания (частоты электронных соударений и температуры пла>мы) с помощью искусственного радиоизлучения.

Исследование свойств различных компонент искусственного радиоизлучения становится реальным, достаточно простым и оперативным методом диагностики ИИТ наряду с использованием традиционных, но существенно болое трудоемких и не столь оперативных методов ракурсного и некогерентного рассеяния радиоволн. •

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований зависимости порогов эффекта СОВ Ш1 от частоты BII и ионосферных условии, а также влияния развития эффекта CCD ВН на эффективность генерации и динамику развития "нетепловой" компоненты ПРИ.

2. Обнаружение роста интенсивности метровых (Ц < 6...10 м) неодно-родностей и уменьшения показателя степени р спектра МИИН (на 1 — 1.5) при уменьшении частоты BII от G до 3 МГц.

3. Результаты исследований влияния эволюции спектра МИНН и состоянии ионосферной плазмы на свойства различных компонент ПРИ, в том 4-';c:ic:

м обнаружении резкого изменения характеристик диагностического ИР.И -PH переходе от ночных к дневным и,от диезных к ночным условиям обралитнич ионосферы;

б) результаты сопоставления экспериментальных данных с численным моделированием генерации ПРИ, проведенным на основе эмпирически! модели эволюции МИИН;

в) определение возможностей использования ПРИ для дипгностчгн МНИТ.

■i. Методика проведения измерений характеристик развития и релаксации BIIT с помощью ИРИ на различных стадиях взаимодействия ВН с ионосферной плазмой. Обнаружение существования времени задержки начала релаксации ПРИ п измерениях вдали от гармоник гнрочастоты электронов, а также резкого уменьшения характерных времен релаксации излучения при приближении частоты BII к гармоникам гнрочастоты электронов.

5. Теоретическая модель процесса релаксации ИРИ для его широкополосной компоненты, объясняющая существование стадии временной задержки начала релаксации нелинейной перекачкой энергии ВПТ по ее спектру, а экспоненциальный характер релаксации излучения — затуханием плазменных волц.

Личный вклад автора в проведенные исследования выразился в следую--щем. В части проведения экспериментальных исследований при его пепо-средстйенном участии были выполнены все основные измерения, результаты которых вынесены на защиту. Обработка и интерпретация данных измерений при исследовании эффекта ССВ ВН, свойств MIIIIH н ПРИ, как «разило, проводилась совместно с научным руководителем В. Л. Фроловым. Сопоставление эволюции искусственного радиоизлучения с моделью генерации его широкополосной компоненты, предложенной С. М. Грачом, проводилось на основе ом лирической модели эволюции спектра МИИН, со-

ставленной при участии автора с использованием пакета программ, разработанных M. М. Шварцем. Все результаты исследований свойств ВПТ с помощью ИРИ, вошедшие в I и IV разделы диссертации, получены лично автором.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Суздальских симпозиумах URSI по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1986, 1991); Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1987; Ульяновск, 1993); Всесоюзном симпозиуме "Ионосфера, и взаимодействие декаметро-вых волн с ионосферной плазмой" (Звенигород, 1989); European Geophysical Society, Space anil Planetary Science (Grenoble, France, 1994); 30th COSPAR Scientific Assembly (Hamburg, Germany, 1994);, IV Suzdal URSI Symposium on Artificial Modification of the ionosphere (Uppsala, Sweden, 1994), а также на научных семинарах ИИРФИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех разделов, Заключения, содержит 134 страницы основного текста, 37 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 1Н наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

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

В первом разделе диссертации представлены результаты проведенных автором экспериментальных исследований на начальной, стрнкцнонной стадии взаимодействия мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой.

В п. 1.1 изложены основы теории стрнкцнонной параметрической неустойчивости (CIIH), развитие которой при мощном воздействии на ионосферную плазму приводит к эффекту ССВ ВН вблизи уровня ее отражения и возбуждению ленгмюровской плазменной турбулентности.

В п. 1.2 приведены результаты экспериментальных исследований порогов возбуждения эффекта ССВ ВН в зависимости от частоты ВН и ионосферных условий, полученные на нагревном стенде "Гиссар". Установлено возрастание порогов возбуждения эффекта как с ростом частоты ВН: Еа" ос , ас ~ 0.9 -г 1.5 для Л.отр > 160 км, так и с уменьшением высоты ее отражения: £"'(150 *«) ~ 1.5-f 2jB"*(200 км) для /,„ ~ 4 МГц. Полученные экспериментальные данные находятся в хорошем соответствии с выводами теории СПН, согласно которой наблюдаемые изменения значений порогового поля определяются, в о'сновном, величиной столкновнтель-ного затухания плазменных волн и, = + в различных геофизических условиях: Е[Г ос ((М/..) + 1>«п(Ьот|.))/.»),/' « « «4« »

В И..1.3 анализируются спойстпа "нетеплогюГГ компоненты ИРИ на начальной стадии взаимодействия мощного радиоизлучения с ионосферной илазмой. Обнаружено редкое возрастание эффективности се генерации при превышении порога возбуждения СПИ, или при снижении частоты ВН. Проведено сопоставление динамики развития "нотепловсш" компоненты ПРИ с характеристиками эффекта СОВ 13II при рапных мощностях fill и получено, что максимальная интенсивность этой компоненты достигается на временах, отвечающих максимальному уровню поглощения энергии ГЗП nj>H развитии СПИ. Намерения времен релаксации излучения позволили оценить декременты затухания ПИТ на начальной стадии воздействия и обнаружить возрастание их величины с ростом мощности ПН от V ~ 250 с"' Jin« Д'„ < 7.5 МВт до v ~ 700 й-1 для А'и я 30 - fit) МВт.

П н. 1.1. рассматриваются возможные проявления влияния разлития С'!Н- на •формирование возмущенной области (ВО) ионосферы. Приведет.' Результаты исследований г.озникноненит эффекта доилсровсхнх биений пробнпх ноли в широком диапазоне частот (до |/пя — /ml — ±50(1 г Гц) относительно чистоты ПН до развитии эффекта ее АО. С'опокунипсп. наблюдаемых характеристик эффекта интерпретируется как промнлеиие по ь растаннп электронной концентрации ионосферном плазмы в области высот отражения ВН h0-,x, га 110 - ISO хм за счет се разогрева плазменными волнами, возбуждаемыми при развитии С'ПМ.

Второй раздел диссертации посвящен анализу результатов экспериментальных исследовании характеристик MIIIIII, полученных с помощью метода ракурсного рассенния радиоволн.

В п. 2.1 нрнводитп краткий обзор теории тепловой параметрическсп неустойчивости (ТПН) и основные выражения, описывающие физические механизмы ее развития в области верхнегибрндиого резонанса (ВГР) BI1, пороги се возбуждения в однородной и неоднородной ионосферной плазме, а также нелинейную стадию развития неустойчивости с установлением универсального спектра .МИНН, сильным АО ВН и возбуждением ВИТ в игарском интервале высот между уровнями ВГР и отражения ВН.

П и. 2.2 - 2.5 рассматриваются накопленные к настоящему времгни данные, касающиеся результатом экспериментальных исследований эволюции, формы спектра и интенсивности МИШ! в зависимости от мощности ВН. Наряду с результатами экспериментов, и получении которых аптор принимал непосредственное участие, для всестороннего изучении указанной зависимости здесь также использовались данные измерений других отечественных и зарубежных авторов с соответствующими ссылками на источники..

В П. :>..в приведены результаты измерений интенсивное гн различных cm-Kipribiibiv компонент МИНН и зависимости от частоты ВН. От меч.»-

ется возрастание интенсньностн неоднородностен с масштабами ~ 3 м при уменьшении частоты DH от С до 3 МГц, приводящее к уплощению спектра неоднородностен в области масштабов 3 м < < 13 м и уменьшению показателя степени р спектра МИИН: «а- ос но крайней мере на единицу. Отдельно подробно рассматриваются особенности эволюции спектра МИИН при /вв ~ 3 МГц, для которой отмечаются аномально большие времена релаксации неоднородностен.

В п. 2.7 приводится эмпирическая модель эволюции спектра МИИН, отражающая зависимость интенсивности, формы спектра и характерных времен развития неоднородностен от мощности ВН, которая была анробяро-вана при численном моделировании поведения широкополосной компоненты ПРИ.

В третьем разделе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований свойств основных компонент ПРИ в зависимости от частоты и мощности ВН, режимов воздействия и состояния ионосферной плазмы. Показано определяющее влияние эволюции МИИН на динамику излучения в области его отрицательных отстроек. На основании проведенного сопоставления данных измерений с результатами численного моделирования делается вывод о возможности использования ИРИ в качестве метода исследования характеристик МИИТ и их оператнного контроля.

В п.3.1 на основании экспериментальных исследований спектральных характеристик ИРЙ проведена систематизация данных наблюдений в области отрицательных (Д=-/ви+/ир„) и положительных (Д/+ = /»н —/яри) отстроек от частоты ВН и рассмотрены свойства четырех основных компонент стационарного спектра излучения: узкаполосной компоненты (Narrow Continuum, Д/jJc <7*8 кГц), главного спектрального максимума (Downshifted Maximum, Д/¿дг ~ 9 18 кГц), широкополосной компоненты (Broad Continuum, Д/дс — 15...20-7-60...120 кГц) и широкополосного максимума излучения (Broad Upshifted Maximum, — 15...204-150...200 кГц) в зависимости от частоты ВН, в частности, от степени ее близости к гармоникам гирочастоты электронов.

В. н. 3.2 приведены результаты экспериментальных исследовании динамических характеристик различных компонент ИРИ при разных частотах ВН. Проведение одновременных измерений ИРИ и МИИН позволило сопоставить динамику их развития и выявить определяющее влияние эволюции спектра МИИН на процесс подавления излучения в области узкополосной компоненты и формирования временного максимума ИРИ в области главного спектрального максимума и широкополосной компоненты при развит им неоднородностен с U я 3 м с последующей депрессией излучения и V. I .мкшлеккем стационарного уровня его интенсивности при развитии де-vямс■) роимх неоднородностей. Показано, что степень контрастности вре-

мсшюго максимума ИРИ по отношению к стационарному уровню получения увеличивается с ростом величины отстройки ИРИ для Д/- > Д/дМ, при уменьшении частоты ВИ, а также вблнпи гнрогармоник н области /„,, < п/я<- но сравнению со случаем /,„ > п///0.

В н. ;5.3 исследуется зависимость интенсивности и динамики развития различных компонент ИРИ от мощности ВН. Показано, что с ростом мощности 011 (и, следовательно, интенсивности МИНИ) наблюдается переход от монотонного развития интенсивности ИРИ до стационарных сиачении к формированию временного максимума в динамике его развития о уменьшением времен развития излучения. При этом наблюдается 11.1' инв-лие стл-ннонарного уровня интенсивности излучения, вплоть до его уменьшения. Э тот процесс йолее ярко выражен для больших отрицате.'П.нык о Iстроек, меньших частот ВП и в нечернее время суток.

Пестования динамики ралпптмя излучения в области ею ^ичнт.вчной гоми чгенты п зависимости от мощности воздействия выяви ш здесь проявление конкуренции "нетеплового" (связанного с СП Н) и "п'мшищи" (< низанного с ТИН) механизмов формирования ПРИ. Достаточно xi.pi ........

разделение "нетепловой" и "тепловой"'составляющих узнит.вм нь!'| 111?; поненты излучения удастся наблюдать но различиям в их звмлмпен малых мощностях воздействия.

В н.3.1 обосновывае.тся возможность исследования МИ ИТ с номошт.ю диагностического ПРИ (ДНРИ), описывается Мегодиьа проведения измерений и определяются оптимальные режимы и схемы излучения дн.ц мистической волны (ДВ.) при зондировании, центральной части (/„» — /„,,) н периферии (/„, ф /Р„) ВО ионосферы импульсами с ти ~ 20 мс и Ти ~ 1 с.

В и. 3.5 приведены результаты экспериментальных ^'следовании свойств ДИР.И в зависимости от частоты ИИ и времени суток в области главного спектрального максимума и широкополо» ной юмионе.нты излучения. С переходом в режим диагностического зондирования, ноете непрерывного воздействия в динамике развития Д 111*1], как правило, паб.тюдаг 1; я рост интенсивности излучения до его максимальных значении, онр'.делч емый релаксацией его"денреС1.ора'', <- Последующим уменьшенном ни юн-сипности излучения, определяемого ре:ыксапчсн "источника", Под,к р i-.ii-ваюшего его генерацию. Характерн;-к врем'на р'м.т ацин "д< прессра ' и "источника" ДНРИ соотве Г! твуют обл.-.г.! -:м масштабов снемра МИНН, ответственных за подавление изт.уечпи: I сг ! -К м, и за 1 1 > п-ш р.шшо: 1х — 5 ~ г.о м, где меньшие м ••• ш га бы н ..•■">дм >| ¡ДВ :н п н.ч I печам г « Ш.ЧШМ отстройкам Сонснл а Ц'!еННе ЭВ 1ЛКШПН ГЦ 1. | р.| МИНИ С дина"'И Г')1|

развития И Г1 И н ДПР И у^пимп г нч иие^'шнт! -мраг I ер в им кия различных МЛПП га"|';в Не|»ДН0рм-(1|(1СТ ей Нч И|»>Ц'.'.< ф';))Г:н|м»>1Ш1.! 1К К)'(Т ( 1101'О Р 1ДНОНЗ.|учеН11)1 С. ОТ гут «"I ч!Р од И ■ 1 е Т: 1;.- Г ■ : •••ч, I !)-!•• ГЧИЧ М VI ¡1 I аге;|1

"депрессора" и "источника" излучения нполнс определенным масштабам спектра МИИН в течение всего цикла возденстииь.

Обнаружено.возрастание степени контрастности максимума ДИРИ но отношению к стационарному уровню излучения и, в среднем, уменмнегне времен релаксации "депрессора" и "источника" излучения, при уменьшении частоты BII ниже 5 МГц.

Обнаружена и исследована суточная зависимость характерных времен •эволюции ДИРИ, выявлено уменьшение этих времен ири переходе от утренних к дневным часам наблюдении, п их возрастание при переходе от дневных к вечерним часам наблюдений. Установлено, что данная зависимость определяется не только влиянием изменений высоты ВО и масштаба пикейного слоя плазмы, но и перестройкой состояния ионосферы. Проведенные исследования могут свидетельствовать о росте эффективности возбуждения как искусственной, так и естественной МНИТ в восходные и оаходные часы.

При проведении измерений характеристик ДИРИ для /„„ ф fDU при зондировании различных высот-СО ионосферы выявлено, что наиболее интенсивная МИИТ, отвечающая за АО выходящего излучения, расположена в центральной части ВО в интервале высот Акло ~ ±(2 - 5) км, соответствующего |й/| = |/пв - /,н| < 200 - 300 кГц.

В исследованиях свойств узкополосной компоненты излучения в режиме диагностического зондирования установлено проявление конкуренции "не-теллового" и "теплового" механизмов ее формирования. Показано, что интенсивность "нетепловой" составляющей этой компоненты медленно и монотонно возрастает по мере релаксации ее аномального ослабления, в то время как "тепловое" диагностическое излучение проходит в своей эволюции стадию максимума и последующей релаксации. Большая степень контрастности максимума ДИРИ для узкополосноп компоненты излучения по сравнению с областью главного спектрального максимума указывает на рост подавления "теплового" излучения с развитием интенсивных МИИН в области Д/~ < A/dm-

Исследования свойств ИРИ в области широкополосного максимума при измерениях вблизи гирогармоник обнаружили резкое снижение эффективности его генерации при использовании импульсных режимов воздействия с г„ =20 мс и скважностью их излучения Q = 2 и 5 (< Р3 >—.25 и 10 МВт, соответственно) уже при длительности пауз в излучении 20 и 80 мс. Более того, не было обнаружено генерации излучения для этой компоненты в режиме диагностического зондироваиия даже после д^;иелыюго непрерывного воздействия.

В н.З.б проводится сопоставление экспериментальных дашшх с результатами численного моделировачия поведения излучения в области его ши-

юкополосной компоненты, отмечается хорошее соответствие результатов 1сследованнп. В численных расчетах нашел подтверждение вывод о не-юнотонности зависимости интенсивности и динамики развития ПРИ и (ИРИ от интенсивности МИИН, различные масштабы которых оказались ртветстненными как за генерацию, так и за ЛО излучения. Соответствие >езультатон моделирования наблюдаемой эволюции излучения для /,., < 5 Л Гц было получено при изменении формы спектра МГШП ос с

'мепыпеннем его показателя степени р па 1 1.5, что также подтверждает >анее сделанный в п. 2.6 вывод об усилении интенсивности спектра МИНН, 1Собенно его более мелкомасштабной части, с уменьшением частоты ВН. Усматриваются пути совершенствования модели генерации ПРИ, дела-тся вывод о практической возможности использования результатов нзме->еннй и моделирования для диагностики свойств МШШ,

Заключительный четвертый раздел диссертации посвящен исследование свойств ВПТ с помощью ПРИ.

В и. 4.1 рассматривается методика проведения измерений, основанная [а существенной разнице характерных времен развития и релаксации ВПТ порядка нескольких миллисекунд) и МИИН (порядка нескольких. секунд). )босновывается выбор временных параметров режима квазниеирерывного озденствия (длительность импульса. ВН много больше длительности паузи юрядка 20 мс) и использование алгоритма усреднения сигналов ИРИ для [сследовання свойств ВПТ при разном уровне развития МШШ. Высокое ременное разрешение измерении порядка С.З мс обеспечивается использованием приема излучения на фиксированных частотах с гауссовой полосой ропускания сигналов порядка 3 кГц.

В п.4.2 приводятся результаты впервые проведенных исследований ди-амнки ВПТ с помощью ИРИ при разном уровне развития МШШ, в зани-нмости от мощности ВН, времени суток при измерениях вдали от гиро-армоннк. В исследованиях процесса релаксации ИРИ обнаружена быстрая тадия релаксации с характерными временами Гр ~ 0.5 - 0.7 мс в области лавного спектрального максимума н существование времени задержки га в роцессе релаксации излучения в области его широкополосной компоненты, начения которой возрастают с ростом величины отстройки до т0 — 3 - 3.5 [с. Вторая временная стадия процесса релаксации характеризуется блнз-им для всех отстроек характерным временем уменьшения ннтенснвностг. злучения гр ~ 1.2 - 2.2 мс, где меньшие значения тр отвечают дневным словням наблюдений, а большие — вечерним.

В п. 4.3 приводятся результаты измерений динамики ВПТ с помощью [РИ вблизя пятой и седьмой гармоник гнрочастоты электронов. Во всей бласти отстроек генерации ИРИ обнаружено отсутствие стадии ^ре-[еннбй задержки и общее уменьшение значений характерных времен ре-

лаксации г,, до 0.7 - 1.1 мс по сравнению с измерениями идали от гир гармоник, где большим временам отвечают большие отстройки Д/*. П) непосредственном приближении к гирорезонансу обнаружено уменьшен гр вплоть до 0.3 мс.

В л.'1.4 представлена теоретическая модель процесса релаксации д. широкополосной компоненты излучения вдали от гирогармоннк. Показан что наблюдаемая динамика релаксации излучения с наличием стадии вг мепнен задержки тъ является следствием нелинейной перекачки онерп ВИТ- но спектру в виде распространения затухающей волны Рнмана в - пространстве, а времена тр определяются декрементом затухания пла - менных волн. .Результаты численных расчетов находятся в хорошем с ответствии с экспериментальными данными, полученными в нзмерени ПРИ, и результатами исследований ВПТ методом некогерентного расе« пня радиоволн.

В п. 4.5 на основании результатов измерений и теоретических расчет показаны некоторые возможности нсслсдо'.шшя свойств ВПТ и характер стик игиосфсрной плазмы (в частности, и Те) с помощью ПРИ. _

В 'Заключении приведены основные результаты диссертационной бО'П.1.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Установлено возрастание величины порогового поля .для оффек ССВ ВН как с ростом частоты ВН: Е^" ос , ас ~ 0.9 1.5 д Лот,. > км, так и с уменьшением высоты ее отражения: £"°(150 км) 1.5.-г 2£',с"(200 км) для фиксированной частоты ВН. Экснернментальн данные находятся в хорошем соответствии с выводами теории С'ПН, ( гласно которой изменения значений порогового ноля в случае столкнм тельного затухания плазменных волн определяются завис имостью: ((1/с.('/в.)) + 1'е,.(/1отр))Л.,)1/2 и Е'„"" ОС /,3,{2 при V,, » Г1п. УсТанОВЛОЮ, Ч развитие эффекта ССВ ВН обуславливает генерацию "нетеиловоп" коМ1 ненты ИРИ.

2. Обнаружено возрастание интенсивности метровых неоднородност с 1х ~ 3 м й уменьшение показателя степени р спектра МШШ (п?^ ос аз] не менее, чем на единицу, и области масштабов 3 м < 1± < 13 м при уме> шении частоты ВН от б до 3 МГц. Выявлен рос. степени контраст! сти временного максимума ИРИ и ДИРП по отношению к стационарно уровню излучения и уменьшение, ь среднем, характерных времен в звол цнн ДПРИ, прн уменьшении частоты ВН ниже 5 МГц Результаты чне.к ного моделирования поведения излучения в области его широкоио-осн компоненты также показали, что для /„„ < 5 МГц соотвгтс-пин- расчет

и

экспериментальными данными достигается при уменьшении показателя (.•пени р спектра МШШ на 1 -г 1.5.

3. Проведены исследования динамики развития различных компонент РИ в зависимости от режима воздействия, эволюции спектра МШШ н люсфериглх условий, позволяющие сделать следующие выводы:

а) сопоставление динамики развития ПРИ и МШШ, а также резуль-1ты численного моделирования, проьеденого на основе эмпирической мо-'лн эволюции спектра МИИН, показывают, что динамика излучения в Зласти его главного спектрального максимума и широкополосной композиты определяется эволюцией спектра искусственных неоднородностей, 1ЛЫЮ зарися как от его формы, так и интегральной интенсивности;

б) выявлено уменьшение характерных времен эволюции ДИРИ при пе-ьходе от утренних к дневным часам наблюдений, и их возрастание при греходе от дневных к вечерним часам наблюдений и показано, что что 1инал зависимость определяется не только влиянием изменении высоты О и масштаба слоя плазмы, но и общей перестройкой состояния нона-феры; ,

в) установлено, что свойства излучения в области его узкополосной ком-онеиты определяются конкуренцией механизмов его генерации, связанных развитием СПИ и ТПН, при этом развитие интенсивных МШШ приводит подавлению излучения;

г) при измерениях вблизи гармоник гирочастоты электронов обнз-ужено резкое снижение оффектнпностн генерации излучения в области го широкополосного максимума при импульсных режимах воздействия с ■ = 20 мс уже при длительности пауа в излучении 20 - 80 мс и'отсутствие енерацни излучения в режиме диагностического зондирования.

Л. В исследованиях свойств ВПТ с помощью ПРИ были получены сле-ующие результаты:

а) разработана методика измерений и впервые проведены исследования ннамнки ВПТ с помощью ПРИ при равном уровне развития МШШ, в аписимости от времени суток, мощности и частоты ПН;

б) при измерениях вдали от гармоник гирочастоты электронов об наужено существование времени задержки гэ в процесса релаксации для щрокополосной компоненты излучения, значения которой возрастают с остом величины отстройки до т? ~ 3 - 3.5 мс для Д/_ ~ 65 кГц; дальней-!ее уменьшение интенсивности излучения проходит с близкими для всех тстроек характерными временами ее релаксации гр ~ 1.2 - 2.2 мс, где 1еныние значения гр отвечают дневным, а большие — вечерним условиям аблюденнй;

в) при измерениях вблизи гармоник гирочастоты электронов с прнбли-<ением к гирорепонансу при изменении частоты ПН в области расстроек

|/»h — tifííeI ~ 5 ~ 50 кГц обнаружено уменьшение характерных времен ре лаксацин г,, от ~ 0.7 - 1.1 мс. до 0.3 мс. и отсутствие стадии временно! •задержки л, во всей области отстроек генерации ПРИ;

г) обнаружено возрастание величины декрементов затухания 1ШТ и начальной стадии воздействия с ростом мощности ВН от v ~ 250 с"1 дл Р;я < 7.5 МВт до v ~ 700 с~х для /'»'„ « 30 - Cl) M(1т.

5. Разработана модель релаксации излучения в области его широкопо Лосной компоненты вдали от гармоник гиричасто гы электронов, в которо процесс релаксации ШГ1' описывается эволюционным уравнением Рнман в w -- пространстве. Показано, что наблюдаемая динамика релаксации из луЧенин с наличием стадии временной задержки т, янппегеи следствием )ic линейной перекачки энергии ВИТ но се спек тру, а характерные времена рс лхкеацин излучения г,, определяются декременгим затухании илазменпы волн, Результаты численных расчетов находится в хорошем соответствн с экспериментальными данными. Па основании результатов измерений теоретических расчетов обсуждаемся возможность нсследованнл парамг трон ПГГГ и некоторых характеристик ионосферной плазмы с вомощы 1! Г11.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Ерухимов Л.М., Ковалев В.Я,, Куракин h.П., Марченко С.Ф., РуС Ц(.н Л.II., Сергеев E.H., Фролов В.Л. Исследования взаимодействия мои него радиоизлучения с ионосферной плазмой в низких широтах. Ггомч< не иниж н аэрономий, 1987 т, 27, N. 5, с. 758-763.

2. Ерухимов Л.М., Ковалев В.Я., Марченко С.Ф., Рубцов Л.П., Ce¡ i«,4!h E.H., Фролов В.Л., "Нотепловая" компонента искусственного радион:: лучения ионосферной плазмы. Тспичн /'ик'.:. XV Всесоюзной конференць по распространению /шдиааоли, Алма-Ата, 1987, с. 105.

3. Ерухимов.Л,М., Ковалев В.Л., Куракин E.H., Марченко С.Ф., Мя< никои E.H., Paxjiiiii A.B., Рубцов Л.Н., Сергеев E.H., Фролов В.Л. Резулг татыэкспериментальных исследований искусственной ионосферной турбз иентностн, полученные на нагревном стенде "Гнссар." Препринт N. 290 -НИРФИ, Горький, 1989.

4. Белнковнч В.В., Ерухимов Л.М., Уызии В.А., Коробков Ю.С., Mai снменко О.М., Насыроп А.М., Сергее» Е.И., Фролов В.Л., Шавин II.В., * временах развития и релаксации искусственных ионосферных мелг.ома< штабных иеоднородиогтои. //ли. 1)УУоь, ^Радиофизика, 1988, т. 31, N. : с. 251-256.

5. Бсленов А.Ф., Ерухимов Л.М., Сергеев E.H., Фролов В.Л., Особент сги динамики мелкомасштабных искусственных неоднородности при бо:н

их мощностях полны накачки. Препринт N. 314 — ННРФИ, Нижний Нов->род, 1391.

6. Frolov V.L., Erukhimov L.M., Mctelev S.A., Sergeev E.N., Temporal ihavicur of artificial small-scale ionospheric irregularities: review of :perimental results. J. Atm. Terr. Phys., 1995, accepted for publication.

7. Сергеев E.H., Фролов D.JI., О структуре искусственного радионз-чення ионосферной плазмы на частотах ниже частоты волны накачки, репринт N. 324 — ПИРФИ, II.Новгород, 1991.

8. Фролов В.Л., Грач С.М., Комраков Г.И., Сергеев Е.Н., Leyser Т.В., bide В., Waldeuvik M., Veszelei E., Goodman S., Характеристики ПРИ по ¡мерениям в широком диапазоне частот ВН между гармониками гироча-оты элехтроноп. Препринт N. 3G8 — НИРФИ, II.Новгород,1993.

9. Frolov V.L., Komrakov G.P., Sergeev E.N., Thidé В., Wamlelvic M., iszelei E., Leyser T*B., Properties of stimulated electromagnetic emission iserved in the vicinity of the reflected pump wave. IV Suzdal URSI Symposium . Artificial Modification of the Ionosphere, 1994, Abstracts, Uppsala, Sweden, 94, p. 38-39.

10. Frolov V.L., Erukhimov L.M., Gracli S.M., Komrakov G.P., rgeev E.N., Thidé В., Carozzi T., Features of broad upshifted maximum in the ectrum of stimulated electromagnetic emission. IV Suzdal URSI Symposium

Artificial Modification of the Ionosphere, 1994, Abstracts, Uppsala, Sweden, 94, p. 69.

11. Фролов В.Д., Бойко Г.H., Метелев С.А., Сергеев Е.Т1., О возможио-лх исследования искусственной ионосферной турбулентности с помощью агностического радиоизлучения ионосферной плазмы. Изо. ВУЗов, Ра-¡офизика, 1994, т. 37, N. 7, с. 909-928.

12. Шварц М.М., Грач С.М., Сергеев Е.Н., Фролоп В.Л., Моделирование фокоиолосной компоненты искусственного радиоизлучения ионосферы. >о. ВУЗов, Радиофизика, 1994, т. 37, N. 5, с. 043-009.

13. Сергеев E.II., Бойко Г.Н., Фролов В.Л., Исследования динамики гсокочастотной плазменной турбулентности с помощью искусственного диоизлучения ионосферы. Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1994, т. 37, N. 6, 703-782.

14. Sergeev E.N., Frolov V.L., Grach S.M., Shvarls M.M., Investigations artificial IIF plasma turbulence features using stimulated electromagnetic tission. Adv. Space Res., 1995, v. 15, N. 12, p. 1263-12G0.

15. Sergeev E.N., Frolov V.L., Komrakov G.P., Thidé В., Carozzi T., inporaJ evolution of HF-exited plasma waves, measured at different quencies by stimulated electromagnetic emission. J. Atm. Terr. Phyi., 1995, :epted for publication.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

ВВЕДЕНИЕ...............................

I. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРИКЦИОН1ЮН СТАДИИ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЩНОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ С ПЛАЗМОЙ F-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ. ......................

1.1. Основы теории стрнкционной параметрической неустойчивости.

1.2. Экспериментальное исследование порогов возбуждения эффекта стрнкционною самовоодействня волны накачки..........

1.3. Возбуждение высокочастотной плазменной турбулентности и "нетепловон" компоненты искусственного радиоизлучения ионосферы на начальной стадии воздействия............

1.4. Влияние развития стрикцнонной параметрической неустойчивости на формирование возмущенной области ионосферы......

II. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЛКОМАСШТАБНОЙ ИСКУССТВЕННОЙ ИО-

НОСФЕРНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ [■-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ

2.1.' Основы теории тепловой параметрической неустойчивости.

7.2. Результаты экспериментальных исследовании генерации мелкомасштабных искусственных ионосферных 'Неоднородностсй в F-обпасти ионосферы............................

2.3. Характеристики релаксации мелкомасштабных искусственных на носферных неоднородностсй а F-области ионосферы.......

2.4. Спектральные характеристики мелкомасштабных искусственны? ионосферных неоднородностсй п F-областн ионосферы. .....

2.5. Зависимость стационарной интенсивности мелкомасштабных не кусственных ионосферных неоднородностсй от мощности волнь накачки.................................

2.6. Зависимость характеристик мелкомасштабной искусственно? ионосферной турбулентности от частоты волны накачки.....

2.7. Эмпирическая модель эволюции спектра мелкомасштабных но кусственных ионосферных неоднородностсй.............

III. СВОЙСТВА ИСКУССТВЕННОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ИОНО

СФЕРЫ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ДИАГНОСТИК!

МЕЛКОМАСШТАБНОЙ ИСКУССТВЕННОЙ ИОНОСФЕРНО!

ТУРБУЛЕНТНОСТИ.........,....'........

3.1. Спектральные характеристики искусственного раднонзпучен'ш ионосферы.........................

3.2. Динамические характеристики искусственного радиоизлучения ионосферы. ...;'....................

3.3. Зависимость интенсивности н динамики развития различны: спектральных компонент искусственного радиоизлучения нонос феры от мощности волны накачки. ...............

3.4. Возможности исследования искусствен нон ионосферной турбулентности с помощью диагностического искусственного радиоизлучения ионосферы. Методика проведения измерений......

3.5. Экспериментальные результаты исследований свойств диагностического искусственного радиоизлучения ионосферы.......

3.6. Сопоставление наблюдаемых характеристик искусственного радиоизлучения ионосферы в области широкополосной «омпонсн-ты с результатами численного моделирования.........

V. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ С ПОМОЩЬЮ ИСКУССТВЕННОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ИОНОСФЕРЫ...............

4.1. Методика проведения измерений................

4.2. Результаты экспериментальных исследований динамики высокочастотной плазменной турбулентности вдали от гармоник гнро-частоты электронов......................

4.3. Результаты экспериментальных исследований динамики высокочастотной плазменной *турбулектности вблизи гармоник гиро-частоты электронов.......................

4.4. Теоретическая модель процесса релаксации для широкополосной компоненты искусственного радиоизлучения. Сравнение численных расчетов с данными экспериментальных-измерений. . .

4.5. Возможности использования измерений характеристик развития и релаксации искусственного радиоизлучения ионосферы для диагностики параметров высокочастотной плазменной турбулентности и состояния ионосферной плазмы...........

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....'.............................

ШТЕРАТУРА................................ . .