Разработка и использование нового метода диагностики атмосферных волн вмезосфере, основанного на эффекте Гетманцева тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГ-Б ОД

2 : СНН Ш

На правах рукописи

Кеттяков Сергей Николаевич

РАЗРАБОТКА К ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НОВОГО МЕТОДА ДЙАГНОСТККЛ А7Ю05ЕРНЖ ВОЛН Б МЕЗОСЖУЕ, ОСНОВАННОГО НА ЭЗЕКТЕ ГЕТМАКЦЕВА

(01.04.03 - Радиофизика)

Автореферат

дизсертаиш на оокскзякэ ученой степени доктора фязпко-математических наук

Нккнхй Новгород, 1335

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом

университете

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор Ерухимов Л.У..

доктор физико-математических наук профессор Ивановский А.И.

доктор физико-математических наук профессор Марков Г.А.

Ведущая организация: Институт прикладной геофизики (г. Москва)

Зашита состоится " /V" 1995 г. а ¿¿±_ часов на

заседании специализированного совета Д 064.05.01 при Нижегородском научно-исследовательском радиофизическом институте по адресу: г. Нижний Новгород, 603600, ул. Большая Печерская, д. 25.

С диссертацией асжно ознакомиться в библиотеке НИР©!.

Автореферат разослан " У " <'<'1995 г.

Ученый секретарь

специализированного совета при НИРВИ каадидах физико-математических наук старшин научный сотрудник

Е.Н.Еиняйхан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной кв актуальных проблем фязикк атмосферы Земли является исследование волновых процессов, харак-теризуЕщкхся периодами от нескольких десятков секунд до двух-трех недель. В процессе генерации, распространения и затухания атмосферные волны извлекают, переносят и аапасапт энергии и количество ДЕКленгся в размерах, достаточных для того, чтобы играть весьма существенную роль в динамике и энергетике атмосферы в целом. Одной кг ключевых проблем физики солнечно-эемньк связей является исследование механизмов взаимодействия между различными слоямк атмосферы. Экспериментальные исследования широкого спектра атмосферных вслв, выявление закономерностей их поведения, определение их природы к исто'-гников дзет важную .кнфсрмацик для понимания фундаментальных г пупков, управляющих поведением атмосферы. Зти ксс-дедования. необходимы для решения Таких прикладных задач, как создание моделей атмосферы и ионосферы с учетом волновых . процессов, определение местоположения естественных и искусственных источников атмосферных возы/пений." Все зто свидетельствует с5 актуальности данной работы, пссЕякенной разработке и использовании нового метода диагностики атмосферных волн в средней атмосфере.

Ноеык метод диагностики волновых воэмудений основан на генерации к приеме искусственного низкочастотного радиоизлучения, возникающего при воздействии на нижнее ионосферу мощной модулированной радиоволной (эффект Гетманцева). Диапазон исследуемых высот составляет 70 - 85 км, что соответствует области мегосферьг. Ста область характеризуется высокой динамической активностью, сложной физикой к химией происходящих в ней прсцессоз. Эксперп-хекталгкые трудности диагностики ионосферной области Б связаны с наличием низкой электронной концентрации и высокой плотности атмосферы. Тем не менее, в настоящее время существует несколько экспериментальных методоЕ исследования волновых возмущений в ие-госфере, главным образцом связанных с регистрацией периодических изменений скорости и температуры нейтрального газа. Методы, ис-пользушие естественные мазосферные образования (серебристые облака, метеорные следы) зе дапт регулярной информации иэ-за редкости событий. Поэтому большинство методов диагностики волновнх явлений в иезосфере основам на пассивной или активной локаси в

оптическом и радЕСДиэпяэсне ■ В оптике используются наблюдения вариаций интенсивности 'эмиссий зпзбужденных зтомов л мелекул. а такзке лазерное зондирование (дидары). В радисдиалааоне применяется зондирование атмосферной турбулентности с пометав MST - радаров, метод частичных отражений, метод некогерентнего рассеяния.

Большое развитие в последнее время 'получили методы диагностики, основанные на актизном воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением. К их числу модно отнести метод, основанный на создании в нижней ионосфере искусственных периодических неоднеред-ностей. Предлагавши новый метод диагностики атмосферных волн также использует нелинейные аффекты, возникающие при нагреве ионосферной плазмы. При воздействии на ионосферу мссным модулированным радиоизлучением в такт . с частотой модуляции изменяется проводимость я протекающий з дивамссбласти ток. Периодическое' изменение тока приводит к электромагнитному излучению на частоте модуляции. ■ Поскольку на средних широтах ионосферный ток обусловлен увлечением электронов и ионов атмосферными ветрами, принимаемое на Земле искусственное ОНЧ излучение несет информации а структуре нейтрального ветра в D-области. С помощью .эффекта Гет-манцева могут быть измерены как параметры среднего ветра а ионосфере, .так й его вариации, связанные с прохождением атмосферных волн через нагревнув область.

Новый метод наиболее приспособлен для диагностики внутренних гравитационных волн (НТВ) с периодами от нескольких минут до нескольких часов и имеет ряд преимуществ со сравнению с .традиционными методами исследования атмосферных волн на .высотах 70 - 90 км. Он позволяет получать информации о волновых процессах в мезосф^ре независимо от времени суток, сезона, погоды и состояния ионосферы. ~ Автоматическая фильтрация мелкомасштабных структур в объеме среды, заншагмем источником ОНЧ излучения, повышает реальную чувствительность измерении параметров ВГЕ. Таким образом, новый метод диагностики атмосферных волн, является органичным дополнением известных ранее методов, а его использование мелеет существенно повысить уровень знаний о волновых процессах а средней атмосфере. Это подтверждается новыми результатами исследования ВГВ, полученные;,, с испсдьзсяяяавм эффекта Гетманцева и приведенные, в диссертации. ' '"'

ГГель и задачи исследований заключались :

в разработке нового метода диагностики атмосферных волн, основанного на эффекте Гетмзнцева;

- в разработке методики и создании программно-аппаратурного • комплекса для генерации и приема искусственного низкочастотного

излучения;

- в проведении экспериментальных исследований эффекта Гет-манаева, составляющих необходимую основу для диагностики атмосферных волн в различное время суток;

- в разработке методик измерения основных характеристик атмосферных ВГЕ на основе анализа ф^/ктуаций параметров ОНЧ сигналов;

- е исследованиях на Сазе эффекта Гетмзнцева распространения ЕГЗ в мезосфере, структуры спектра, поляризации и других особенностей внутренних гравитационных' волн, представляющих геофизический интерес.

Научная новизна работы.

а. На основании многочисленных исследований искусственного ОНЧ излучения нижней ионосферы установлены следующие его свойства:

а) 2 магнитоспокэйкых условиях параметры поляризации ОНЧ сигналов определялся вектором скорости ветрз в мезосфере;

б) высота источника излучения составляет 70 - 80 кк в дневное время и уменьшается с ростом частоты модуляции натревного передатчика.

Эти свойства ОНЧ источника определяют новые возможности диагностики атмосферных еолн в мезосфере с помссьв эффекта Гетмак-цева.

2. Разработан новый, не известный ранее метол диагностика атмосферных волн с помояыз нагреЕкых стендов. Метод основан на возможности измерения вариаций вектора скорости ветра в мезосфере, связанных с прохождением атмосферных волн, по анализу парз-метров поляризации искусственных ОНЧ сигналов. Метод наиболее эффективен для диагностики мегосферных ВГЕ.

3. Разработаны и апробированы новые методики измерения параметров ЕГВ в меэссфере, осногаккые на исследовании искусотвекзого ОНЧ излучения:

а) иетодикз измерения частотного спектра НГ5;

б) методика измерения поляризации ЕГЗ;

в) методика измерения горизонтальной и вертикальней длины волны, горизонтальной и вертикальной фаговой скорости и направления распространения ВГВ;

г) методика пространственно-временной фидьтрации ВГЗ при работе нагревного стенда в режиме интерферометра.

4. Получены новые результаты исследования ВГВ в меэосфере:

а) обнаружена резонансная структура частотного спектра ВГВ в диапазоне периодов от 30 шш до 2 часов;

б) зарегистрировано увеличение' степени эллиптичности поляри-.запии ВГВ с ростом периода водны; -

в) обнаружена угловая ааизстропия волнового ансамбля ВГВ а-мэгссфере.

Основные положения, выносимые на заииту,

1. Разработка нового метода диагностики атмосферных волн на высотах 70 - 90 км по результатам исследовании параметров поляризации ОНЧ излучения, возяикагавего при воздействии на кижшс ионосферу 'мецзым модулированным радиоизлучением.

, 2. Разработка методики, создание и внедрение программно-аппаратурного комплекса для .исследан.-зи низкочастотного излучения ионосферы и включающего в себя средстза управления нагреЕкши передатчиками, а также средства приема и обработки з реальном времени параметров низкочастотного излучения.

3. Экспериментальные исследования эффекта Гетмаацевз, необходимые для обоснования и реализации нового метода диагностики атмосферных волн. Установление оптимальных режимов работы нагрев-ных стендов, позволяющий осуществить непрерывный круглосуточный прием искусственных ОНЧ сигналов. Установление взаимосвязи спектральных и поляривацканных характеристик низкочастотного излучения с \параметрзми нейтрального ветра з мезосфере. Исследование тонкой структуры источника искусственных ОНЧ сигналов.

4. Разработка методик определения параметров ВГВ в мезосфере (частоты, длины волны, фазовой скорости, направления распространения, спектральных и поляризационных характеристик) по анализу флуктуации параметров искусственных ОНЧ сигналов.

5. Исследование внутренних гравитационных волн в мезосфере с

поморье нового метола, основанного на эффекте Гетмакцеза. Измерения горизонтальной и вертикальной фазовой скорости, горизонтальной и вертикальной длины волны, направления распространения ЕГБ с помощью пространственного синтеза диаграмм направленности греидих перелатчиксв. Исследование частотных спектров к особенностей поляризации ВГВ по характеру флуктуации амплитуды к утла наклона эллипса поляризации искусственных ОНЧ сигезлсв.

Научная и практическая ценность работы. В дисоерташга разработан новый метод диагностики атмосферных золн нз высотах мезос-ферк, привалятся результаты апробации метода. Получены новые результаты исследовании ВГВ, связанные с угловой анизотропией ансамбля ЕГЕ в меэосфере, особенностями частотного спектра и поляризации ВГВ. Эти результаты позволят сделать еде един шаг- в исследованиях физики процессов, связанных с распространением атмэс-" феряых воля кв кихяей атмосферы в верхней при налился: температурных градиентов и критических уровней; йзазэлсдейсгвием волк между собой и преоблад этими Еетрами. Новый метод открывает зпрокке возможности для дальнейших исследований з данной области. Использование практических результатов, полученных в диссертант, а также возможностей нозого метода диагностики атмосферных волн при проведении комплексных экспериментов в будущем повысит достсвер-ность сведений о волновых везмуцениях в меэосфере и Судет способствовать накоплению информации, иеобход5Емсй для коррекции су-цествуваих атмосферных и ионосферных моделей. Результаты, полученные в диссертации, могут иметь широкуо область практического использования. Новый метод диагностики атмосферных волн медаг быть эффективно использован в метеорологии, аэрономии, сейсмологии и физике нижней ионосферы. Полученные результаты могут найти применение в новых направлениях теоретических и экспериментальных исследований по волновым процессам в атмосфере и ионосфере Земли. Эти результаты испсльзсвзлпсь в работах HJÎPBÎ и КПЗ- РАН, их можно рекомендовать для недельгевзкпя в таких ведущих научных учреждениях как КЗМКР РАН, ИС6 РАН, КПГ, ДАО.

Апробация рзботы. Результаты работы докладывались в оОсукда-

лясь :

- на 13-è Всесоюзной конференции по распространенна редко-

/

волн (Горький, 1581 г);

- на Всесоюзном симпозиуме по воздействию мощным радиоизлучением на ионосферу Земли (Суздаль, 1383 г);

- на Всесоюзной конференции по приему сверхниэксчастстных колебаний и устройствам по их обработке (Вероне*, 1983 г);

- на 6-й Всесоюзной школе-семинаре по ОНЧ излучениям (Звенигород, 1983 г);

- на Международном симпозиуме.по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1936 г);

- на 15-й Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1987 г);

- на Международном симпозиуме по неустсйчизостям и • волновым явлениям з системе ионосфера-терыосфера (Калуга, 1339 г);

- на 8-м Совещании-семинаре по проблеме • "Неоднородная структура ионосферы" (Н.Новгород, 1991 г/;

- на семинарах НИР5И (Н.Новгород), Института Астрофизики АН 'Тадл.ОСР (Душанбе); Института физики Земли (Москва), НГТУ (Н.Новгород), ИПГ (Москва).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы а 29 работах, включая монографию. .

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит лз зведения, пяти глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации составляет 232 страницы, включая 62 рисунка (62 страницы), 10 таблиц (9 страниц), список литературы из 220 наименований (25 страниц)...

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ■ .

Во введении обосновывается актуальность исследования проблемы атмосферных волновых возмущении, цель и научная новизна дис- ' сертациснной работы, ее научная к практическая ценность. Излагается краткое содержание работы, а также формулируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор атмосферных движений нейтрального газа и методов их исследовании. В разделе 1.1 приводится отроение агхесферы, разделение ее на высстзые области по составу, распре-.

делению температуры и характеру доминирующих процессов. В разделе

1.2 рассмотрены динамические процессы в атмосфере в рамках системы гидродинамических уравнений. Эти процессы молно условно подразделить на преобладание ветры, внутренние волны к атмосферную турбулентность. Преобладающие ветры в нижней атмосфере в основном определяются влиянием вращения Земли. Выпе 70 - 90 км существенным является влияние магнитного поля Земли, а система ветрсЕ тесно свягака с ионосферной токовой системой - вариация). Внутренние волны, играющие важную роль в динамике атмосферы, можно подразделить на планетарные, приливные и акустические и БГВ. Планетарные волны (волны Россбк) имеют масштабы, сравнимые с радиусом Земли и периоды от одного до нескольких суток. Эти волны, связанные в основном с сирстным градиентом скорости вращения Земли, распространяются из мкней атмосферы в средисв, перенося значительную долю энергии. Атмосферные приливы, возникающие из-за солнечно-суточного нагрева земной поверхности, имеют несколько мод (суточная и ее гармоники). Приливные волны распространяется вверх и вносят вклад в результирующие ДЕИженкя'на высотах «геосферы. Акустические волны имеют периоды от нескольких секунд до несколь гак минут, вн>'тренние гравитационные - от нескольких минут до несколь гак часов. Атмосферная турбулентность в виде движений и вихрей различного масштаба существенна до высот турбопаузы (~ 110 км), где преобладает процессы турбулентной диффузии. В разделе

1.3 приведен обэор экспериментальных методов исследований атмосферных волн. Многообразие методов обусловлено, прежде всего, различными физическими процессами; в разных слоях атмосферы. В н;г*жей атмосфере для диагностики волновых возмущений в основном используются метеорологические данные и дзнные зондирования атмосферной турбулентности. В-средней атмосфере основным измеряемым параметром является нейтральный ветер и его вариации, которое проявляются в изменениях частоты отражения доплерсвсклх радаров, нерегулярных смещениях спектральных линий излучения возбужденных атомов и молекул и т.д. Кз высотах могссферы к выще наличие кснизирсвзз-ной компонента обусловило появление методов, основанных на измерениях движений самой плазмы, а также неоднородностей и веля в плазме. В разделе 1.4 предложен новый метод диагностики волновых возмущений нейтрального газа в мезосфере, основанный на эффекте Гетмзнцева. Этот метод предоставляет возможность измерения нейт-

рального ветра и его вариации на высотах 70 - 90 км с помощи: низкочастотного излучения, возникающего при воздействии мощной модулированной радиоволной на нижнюю ионосферу.

В глазах 2 и 3 приводится описание методики, аппаратурного комплекса и основных результатов исследования искусственных ОНЧ сигналов, составляющих необходимую основу для нового метода диагностики атмосферных волн.

Вторая глава посвящена изложению методики и техники экспериментов по генерации и приему искусственного низкочастотного радиоизлучения нижней ионосферы. В разделе 2.1 рассмотрены физические основы аффекта Гетманцева, изложена теоретическая модель возбуждения и распространения искусственных ОНЧ сигналов, приведена схема эксперимента по генерации и приему низкочастотного излучения." В разделе 2.2 приводится описание нагревнсго стенда "Сура" как инструмента'для проведения ионосферных, исследований методами ^активного по?цейстЕкя на ионосферу. Рассматривается состав, принципы работы и основные технические характеристики стенда. Приводится описание разработанной и внедренной под руководством автора ■диссертации автоматизированной системы управления стендом "Сура". Система позволила оперативно управлять ходом проведения экспериментов, основанных на активном воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением и широко использовалась для исследования искусственных ОНЧ сигналов. В разделе 2.3 описан аппаратурно - программный комплекс для приема низкочастотного излучения и исследования его параметров В разделе'2.3.1 приводятся основные методики приема ОНЧ сигналов: методика работы на фиксированных чзстотах модуляции нагревного передатчика и методика работы со свипирова-нием по частоте (линейным изменением .частоты модуляции в диапазоне 0.4 - 5 кГц). В разделе 2.3.2 приводится описание" приемной аппаратуры, разработанной для приема слабых сигналов ОНЧ диапазона в условиях сильных атмосферных помех. Рассматриваются два типа приемников: приемник прямого усиления и супергетеродинный приемник, использующих методы фильтрации и синхронного детектирования. Раздел 2.3.4 посвящен описанию методики, технической и программной реализации эксперимента по приему и обработке спектральных и поляризационных характеристик ОНЧ сигналов в реальном времени с использованием ЭВМ.

Третья глава диссертации посвящена результатам исследования

искусственного низкочастотного излучения ионосферы. В разделе 3.1 кратко изложены результаты первого этапа исследования эффекта Гетмакцэва. Автор подключился к этим исследованиям в 1978 г, - с его участием были получены зависимости интенсивности принимаемых ОКЧ сигналов от расстояния до нагреаной установки и дополнительного подогрева ионосферы. В разделе 3.2 приведены результаты второго этапз исследования низкочастотного ионосферного излучения. Здесь получены зависимости параметров ОНЧ сигналов от режимов работы нагревного передатчика. Исследованы зависимости параметров поляризации низкочастотного излучения от частоты'и глубины модуляции, несущей частоты и мощности нагревного стенда, диаграммы направленности передающей антенны. С вводом в строй передатчика, работающего на гирочастоте электронов, удалось осуществить круглосуточный прием СКЧ сигналов. Особенности суточного хода динамических спектров низкочастотного излучения рассмотрены в разделе 3.3. Обнаружена его взаимосвязь с динамикой ионосферной токовой система! Интенсивность СКЧ излучения связана с величиной ионосферного тока, а угол наклона эллипса поляризации - с направлением тока. В спокойных геомагнитных услсзкях параметры поляризации ОКЧ сигналов с~седеляются средней скоростью нейтрального ветра и ее вариациями, связанными с прохождением атмосферных волн через область нагрэза. Поляризация СКЧ излучения.линейная а дневные и ночные часы и эллиптическая в утренние и вечерние. Высота расположения источника 'низкочастотного излучения составляет - 70 км днем и 90 км ночью и линейно уменьшается на 5 - 7 ки с ростом частоты модуляции от 1 до 5 кГц. Полученные в главе 3 результаты хорошо согласуются с аналогичными результатами, полученными на стендах Тромсе и Аресибо я теоретическими моделями. Эти результаты подтверждают возможность измерения профилей ветра на высотах 70-90 км с помгадью эффекта Гетманцева и составляют- необходимую основу для диагностики атмосферных волн.

Четвертая глава посвящена обосновании нового метода диагностики атмосферных волн, основанного на аффекте Гетманцева. Приводятся основные методики измерений параметров атмосферных воля и результаты апробации.нового метода. В разделе 4.1 приводится морфология исследований низкочастотного излучения в период 1980 -1988 гг. Исследования проводились с использованием нагревных стендов "Зименхи" а "Сура" (г. Горький) и "Гиссар" (г. Душанбе)

Визуальные наблюдения sa динамикой поведения параметров ОНЧ сигналов показали, что в более 34ï случаев (общее время регистрации ~ 200 часов) наблгдслгзь квазипериодические Еариздии этих параметров в различных диапазонах периодов: волновые возмущения планетарных масштабов с периодом - i недели; суточные вариации ОНЧ сигналов, определяемые динамо-эффектам и атмосферными приливами; Еолновые возмущения с периодам: от нескольких минут до нескольких часов, характерные для внутренних гравитационных волк (ВГВ); кза-зипериодические колебания с периодами 45 - 60 сек, характерные для инфразвука. Более 90£ всех зарегистрированных волновых возмущений относятся к диапазону ВГВ. Это обуславливает камбольпую эффективность нового метода для исследования атмосферных волн в указанном диапазоне. В разделе 4.2 описаны способы регистрации ЕГВ в мезсхзфере с немощью эффекта Гетмакаева. В большинстве случаев диагностика ВГВ проводилась по исследованию вариации скорости ветра. Анализ параметров, поляризации искусственных ОНЧ сигналов позволяет определить продольную и поперечную составляющие скорости колебания частиц в ЕГВ по отношению к фоновому истоку нейтрального газа. Частотный спектр ВГЕ может Сыть получен с помощью Фурье-анализа флуктуации параметров ОНЧ сигналов при работе на фиксированной частоте модуляции. Измерения . ОНЧ сигналов ка сетке частот позволяют проводить -диагностику вертикальной структуры ЕГВ в диапазоне еысот 70 - 60 км. В разделе 4.3 приводятся новые методики и результаты измерений пространственной структуры ВГВ в мезосфере с -помощью эффекта Гетманцева. При исследовании крупномасштабной (L ~ 100 км) структуры атмосферных вслн используется пространственный разнос диаграмм отдельных передатчиков стенда, при исследовании мелкоиасстабной (L ~ 10 км) структуры -движущийся низкочастотный излучатель, горизонтальные размеры которого ограничены диаграммой направленности одной секции стенда. В разделе 4.4 дается обоснование применения нового метода для диагностики ВГВ. Возможность использования эффекта Гетманцева для исследования атмосферных волн заложена в механизме генерации искусственных ОНЧ сигналов. Экспериментальные результаты, полученные с помощью данного методз полностью соответствуют диапазону ВГВ, не противоречат дисперсионному соотношению для ВГВ и совпадают о измерениями, выполненными альтернативными методами, что доказывает адекватность нового метода.

3 главе 5 приводится обзор теоретических я экспериментальных исследования ЗГЗ а мезссфере, а также зозые результаты диагностики ЕГЗ, полученные с использованием нсзсго метода. Разделы 5.1 и 5.2 содержат краткие обзоры соответственно теоретических я экспериментальных исследовании ЗГЗ в меэосфере с псмсшьо ялт> тернатив-ных методсв. В разделе 5.3 изложены результаты исследований распространения волнового пакета из нижней в среднзгаэ атмосферу. Обнаружена анизотропия зслнсвогс пакета ЕГЗ з мезссфере: колебания частиц в ксрсткопериодных ЕГЗ происходят преимущественно в направлении, перпендикулярном фоновому потек:/ нейтрального газа. 5тст результат может быть сбгяснен эффектами фильтрации зб^еи критических уровней на трассе распространения зелны. 3 разделе 3. -i приводятся результата измерения поляризации ЗГВ з мезссфере. Сбнаружеяо увеличение степени эллиптичности поляризации при увеличении периода золны. 3 разделе -5.5 представлены результаты намерений частотных спектров ВГЗ по анализу флуктуации параметров поляризации ОНЧ сигналов. Обнаружена резонансная структура спектра НГЗ, которая может быть связана "С эффектами отражения волн, связанными с "аличием а атмосфере устойчивых горизонтальных слоев с различными частотами Бреята - Вяйсяля. 3 разделе 5.6 изложены краткие зызеды по результатам .диагностики ЕГВ а мезосфере с по-мещьп нсзсго метода, основанного на эффекте Гетманцеза.

В заключении азледены основные результаты диссертзши, рассматривается перспективы дальнейших исследовании.

3 приложении призедены оценки погрешностей измерении параметре а СНЧ сигналов и характеристик ВГЗ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТ ДИССЕРТАЦИИ

1. Разрайстан и апройиравая новый метод диагностики атмосферных зелн на высотах 70 - 90 км с пемешгп эффекта Гетманлеза. Метод использует генерацию низкочастотного излучения ионосферными токовыми системами при зсздействии на них мощным модулированным КБ-радиоизлучением. Параметры излучения содержат информации об амплитуде я направлении ионосферного тока, а следовательно, и скорости ветра нейтрального газа а среднеишрстной мезссфере и ее вариациях. Метод позволяет измерять профили ветра на высотах 70 -90 км, исследовать пространственно-временные характеристика ат-

мэсферных волн е диапазоне длин волн ст нескольких газометров до нескольких тысяч километров с периода«!: ст нескольких десяткоЕ секунд до несколько: суток. Временное разрешение метода составляет от нескольких секунд до нескольких мгаг/т е зависимости от выбранной методики измерении. Пространственное рагрепение по гори-эоктали 15 км) определяется размером области кагрева, а по вертикали (-- 3 км) - частотой модуляции кагревного передатчика. Лостоинствз метода гаклвчзвтся в автоматической фильтрации мелкомасштабных флуктуации скорости ветра, а также в возможности стабильного получения данных независимо от погоды, сезона, времени суток и состояния атмосферы. Наиболее оптимально метод приспособлен , для диагностики. параметров внутренних гравитационных волн (ЕГВ) в мегэсфере с периодами от нескольких минут ло нескольких часов.

2. Разработана методика проведения экспериментов по генерации и приему искусственного низкочастотного излучения. Методика основана на физических механизмах генерации искусственных ОНЧ сигналов, вогникапщк при воздействии нз нижнею ионосферу мэ^ил: модулированным радиоизлучением. Измерения производились на сетке фикс!фовакных частот модуляции кли с линейным изменением частоты е диапазоне 1-е кГц. -Измерялись пара/.етры поляризации искусственных ОНЧ сигналов: амплитуда H магнитного поля, ориентация X и отнопение полуосей р эллипса поляризации, а также эффективная высота h источника низкочастотного излучения.

3. Создан программе-ашгарагуркьж комплекс, в состав которого вхедят:

а) система управления кагреЕным стендом "Сура";

С) высокочувствительные устройства для приема на земле слабых. екгнзлов ОНЧ диапазона;

б) автоматизированная система (на fisse аппаратуры КАМАК и микро-ЭВМ) для получения в реальном времени динамические спектров низкочастотного излучения в диапазоне G.4 -.5 кГц с временным разрешение« 5 минут z частотным разревением 200 Гц.

i. Проведены экспериментальные исследования'эффекта Гетиан-цев5., состевляЕдие необходимую основу для диагностики атмосферных

золя о псмспгп -¡*скусстзеннсго СНЧ излучения з различнее время суток.

•4.1 Йсследсзана зависимость интенсивности искусственных СНЧ сигналов от режимов работы нагревного стенда "Сура". Устзнсзлено, что амплитуда принимаемого сигнала:

а) имеет больсее значение яри использовании для нагрева зел-ны необыкновенней поляризации;

5) пропорциональна мощности передатчика и глубине модуляции нагревной волны-,

а) растет с уменьшением зесуаей частоты передатчиков.

4.2 Проведены исследования суточного хода параметров поляризации и эффективной высоты излучения искусственных СНЧ сигналов. Установлено, что:

а) амплитуда СНЧ излучения пропорциональна силе ионосферного -ска и з спокойных магнитных условиях определяется амплитудой скорости ветра з мезосфере;

6) ориентация эллипса поляризация определяется направлением среднего ветра;

з) поляризация низкочастотного излучения линейная в дневные и ночные часы и эллиптическая з утренние и зечерние;

г) эффективная высота источника излучения составляет 70-30 км днем и 35 - 95 хм асчьо.

4.3 Установлено, что высота фазового центра источника излучения , как правило, линейно уменьшается на 3 - 3 им с ростом частоты излучешет от 1 до 5.кГц;

5. Разработаны и апробированы новые методики измерения параметров внутренних гравитационных золн в мезосфере о использованием искусственных ОНЧ сигналов: "

а) методика измерения частотного спектра НТВ, основанная на исследования спектра флуктуации амплитуды ОНЧ сигналов;

б) методика измерения параметров поляризации НГЗ, основанная на анализе параметров поляризации принимаемого низкочастотного излучения;

з) методика измерения профилей горизонтальной сосгаалящея скорости ветра, а также вертикальной 7гтгт волны и вертикальней фазовой скорости ВГЗ на высотах 70 - 85 км, основанная на анадзге динамических спектров СНЧ сигналов-.

г) методика измерения горизонтальной глины волны и горизонтальной фазовой скорости ЕГВ, основанная нз приеме излучения из двух нггревных областей, разнесению: по горизонтами на. расстояние - 100 кы;

д) методика пространственно-временной фильтрации мелкомасштабных НГЕ прк работе нагревного стенда в режиме активного интер- -ферометра с разными несущими частотами на разнесенные в пространстве знтеЕнк, основанная ев возможности синхронизма движущейся решетки и БГВ.

6. Экспериментально ксследовзкк волновые возмущения кект-рьгьногс; гага в мезосфере по данным наблюдений искусственного низкочастотного излучения в период ЗЭЗЭ - 1335 гг (общее вреш; наблюдении - 190 часов).

6.1 Зарегистрированы волновые структуры в мезосфере различных временных к пространственны): масштабов по анализу -флуктуации параметров - ОНЧ сигналов:

а) квазисинусоидальные вариации скорости ветра с периодами 40-80 секунд, характерными для инфразвука;

б) волновые возмущения скорости ветра с периодами от 0,12 до 4 часов, связанные с прохождением ВГЕ через область нагрева;

в) суточные вариации параметров низкочастотного излучения, обусловленные солнечно-суточными приливами;

г) кв аз апериодические' вариации ОНЧ сигналов с периодами планетарных масстабоЕ (6-7 суток);

6.2 Исследован частотный спектр ЕГВ в мезосфере. Установлено, ЧТО:

а) спектр хорошо согласуется с энергетическими спектрами флуктуации скорости ветра в мезосфере, полученными с помопью ьет-радарсв;

б) низкочастотный участок спектра (с периодами более 2-3 часов) нэскт монотонный характер к характеризуется средним наклоном ~ и хорошей стабильностью;

в) в диапазоне периодов от 20 мин до £ - 3 чао спектр характеризуется как наличием локальных максимумов к минимумов, так и вариациями наклона спектра;

6.3 Измерены параметры ВГВ и особенности кх распространения на высотах мевосферы. Установлено, что

а) время регистрации ЗГЗ составило Солее трети от сбсего времени наблюдений;

б) более половины наблюдаемых ЗГЗ имели периоды ст 1 до 2 часов;

в) вертикальные и горизонтальные фаговые скорости 5ГЗ при рагсЕых измерениях составляли соответственно 1-5 м/с и 20 - 150 м/с, вертикальные, и горизонтальные длины волн - 2 - 20 га/ и 50 -5СО км;

г) поляризация ЕГЗ з'большинстве случаев линейная (степень эллиптичности зе превышает 10 - 20 *), в ряде случаев наблюдается увеличение степени эллиптичности до 50 - 75 7. для крупноперисдных ЗГВ;

д) колебания частиц з корзткопериояых НТВ происходят преимущественно в направлении, перпендикулярном фоновому потоку;

а) а ряде случаез наблюдалась диссипация ВГЗ в интервале 2к,--сот "5-30 ум.

ОСКОВНЬЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО TBE ДИССЕРТАЦИИ

1. Митяков С.Н., Поляков С.З., Поляков В.П., Рапопорт В.О., Сазонов D.A. Измерение поляризационных и фазовых характеристик сигналов комбинационных частот // В кн.: 13-я Всесоюзная конференция до распространении радиоволн. Тез.докл., часть 1. Горький, 19S1. С. 169.

2. Белякович В. 3., Котик Д. С.* Митяков С.Н., Поляков C.B., Рапопорт 3.0. Сб одновременной работе, двух нагрезякх передатчиков // В кнч. : ' 13-я Всессювная конференция по распространению радиоволн. Тез.докл., часть 1. Горький, 1981. С. 166;

3. Зудклин A.B., Котик Д.С., Уитяков С.Н., Поляков C.B., Рапопорт S.O., Сазонов S3.А. Зависимость• полей сигналов комбияацгон-яых частот от расстояния до нагревиой установки» // Изв. вузов, Радиофизика, 1982. Т.25. N.6. С. 711 - 712.

4. .Митякоа С.Н., Поляков C.B., Поляков В.П., Рапопорт В.О., Сазонов В. А. Спектральные и поляризационные характеристики поzii сигналов комбинационных частот // Иаз. вузов, Радиофизика, 1982, Т.25. N. 7. С. 341 - 842.

5. Котик. Д. С., МитякЪв С.Н. Поляков C.B., Рапопорт B.Ov

Особенности генерации сигналов комбинационных частот при высокой мошеосте кзгревЕой установки (сильный кагрев;- // В сt. : Эффекты искусственного воздействия мощным радиоизлучением на ионосферу Земли. Тез. докл. Всесовзвого симпозиума. Суьдагъ, 1983. С. 140 -141.

Б. Котик Д.С., Митяков С.Н., Поляков C.B., Рапопорт В.О. О механизме формирования поляризации магнитного поля сигналов комбинационных частот // В сб.: Еффекты искусственного воздействия мощным радиоизлучением на ионосферу Зе^ли. Тез.докл. Всесоюзного симпозиума. Суздаль, 1933. 'С. 141 - 14£.

7. Еремин A.B., Котик Д.С., Мптякое С.Н., Поляков C.B., Рапопорт B.D., СазоноЕ ïi.k., Елюгаег Ю.В. Результаты исследований сигналов комбинационных частот на мощном средневолновом стенде "Сура" // В сб.: 4-я Всесоюзная школа-семинар по ОНЧ излучениям. Тез.докл. Звенигорсд, 1933. С. 23.

6. Бабиченко A.V.., Гусев С.А., Митяков С.Н., Поляков C.B., Рапопорт В.О., Сазонов С.А. Экспериментальные исследования дкна-, цичэсккх спектров амплитуды, фазы и поляризации сигналов комбинационных частот. • В й.: 4-е Всесоюзная школа-семинар по ОКЧ излучениях. Tee.докл. Звенигород, 1933. С. £7.

6. Бабиченко A.M., Митяков С.К. Аппаратурный комплекс для цифровой обработки в реальном времени экспериментальных данных в ОНЧ диапазоне' /¡ В сб.; 4-я Всесоюзная школа-семинар по ОНЧ излучениям. Тез.докл. Звенигород, 1933. С. 63.

10. Бабиченко A.M., .ГусеЕ С.А., Митяков С.Н., Поляков C.B. Измерение естественных ионосферных токов по характеристикам сигналов комбинационных частот // В кн.: Прием сверхниэкочастстных калебЕкин к устроисгва для их обработки. Тез.докл. Всесосзнок конференции. Боренек, 1333. С. 45.

11. Бабкчевхо A.M., Гусев С.А., Митяков СЛ., Поляков C.B., Рапопорт B.C., Сазонов D.A. Динамические спектры амплитуды, фазы к поляризации сигналов комбинационных частот // Геомагнетизм и аэрономия, 1934. Т.24. N.2. С. 19S - 198.

12. Бабиченко A.M., Котик Д.С.,.Митяков С.Н.,, Золякое С.Е., Рапопорт Е.О., Сольенке ' В.А. Генерация сигналов комбинационных частот (СКЧ) при гирочастоткзм нагреве ионосферы // В кн: Модификация Еоносферы моиньы радиоизлучением. Тез.докл. Международного симпозиума. Суздаль, 1SSS. С. 113 - 114.

1-3. Митяксз O.K., Рапопорт Б.О. Использование эффекта Гэт-маяпеаа для диагностики полей л тсугз з нижней ионосфере // 3 кн. : Модификация, ионосферы мапньгм радиоизлучением. Гэз. зскд. Международного симпозиума. Суздаль, 1386. С. 39 - 102.

14. Котик Д. С., Миронекко Л.-Э., Митяков С. И., Ралопорт 3.0., Солынин В.А., Гамойкин В.З. О возможности формирования езерхезе-тсасго источника черенксвского излучения с псусльп эффекта Гет-«акыева // 3 кн: Модификация яснссйеры мешным радиоизлучением. Tea.докл. Международного симпозиума. Суздаль, 138S. С. 91 - 32.

".5. Беляев П.Я., Котик Д.С., митяксв С.Я., Поляков С.З., Ра- ' депорт З.С., Трахтеягерц В.КЗ. Гаяерастя электромагнитных сигналов комбинационных частот з ионосфере // йзз. вузов, Радиофизика, ".Э87. V.30. М.2. С. 243 - 269.

13. Бабяченко A.M., Котик Д.С., Мирсяеико Л.Ф., Митяков С.Н., Рапспорт B.C., Исследование динамики акжяек исяссферы о по-мссыз сиг'-галсз комбинационных частот и кроссмодуляпии // В кн.: 15-я НсгссЕзная конференция по распространении радиоволн, Таа.дскл. Алма-Ата,. 1987. С. 93.

17. Забиченко A.M., Котик Д.С., Мирсяенко Л.Ф., Митяксз С.Н., Рапспорт В.О. О возможности использования эффекта генерации исмСинаписнзых частот з гонссфере для исследсзания динамики ме-scoiecK // 3 сб.: Неч'стсйчявоста я аелнеаые явления з системе ионосфера - термссфера. Материалы Международного симпозиума (Калуга, 1989 Г.). Гсрьюш! 1989. С. 71 - 33. '

13. Митякса Н. А.-, Грач С.М., Митякса С.Н. Возмущение кснсс-феры мощными радиоволнами / ЯТсги науки и техники, серия "Геомагнетизм я высокие слои атмосферы", т.9. М.: ВИНИТИ, 1389, 159 с.

19. -Кстик Д.С., Митяков С.Н., Рапопорт В.О. Исследование неоднородной структуры ионосферы с помещьо эффекта Гетманцева // 3 сб.: 7-е Совещание-семинар по проблеме "Неоднородная структура ясносферы", Таз.докл. н. Новгород, 1991.. С. 39.

20. Рапопорт 3.0., Кетах Д.С., Юцжненхо Л.в., Митяюоэ С.Н. Экспериментальные исследования яиэизчастстпого излучения движущегося ионосферного источника // Изв. зузов, Радисфизика, 1994, Г.37. М.З. С. 783 - 792. .

21. V.O.Hapcpcrt, S.H.Hltyakcv and WYu.Trakhtamjerts. The investigations of waves perturbations in the middle atmosphere by means ELF radiation j&nerated by HF heating.- Abstract of £0 HS

assarbly, Hfsnb'jrg, 1995 // Annales Geophysical. Supplement't po. V.lS. Part 3. P.635. ' "

22. Y.O.Rapoport, S.N.MityaKov end V.Yu. Trakntepgerts. Diag^ nasties of internal gravity waves fine structure m mesospere by means HF heating facilities. Abstract of 20 ESS assembly, Ham-bure, 1935 // Annales Geophysical. Supplement 3 to V.lS. Part 3. P. Hamburg, 1995. P. 638.

23. Рапопорт E.D., Мктякэв C.H., Трахтенгерц 2.Ю. Диагностика атмэсфер-Еьэс если е нижней ионосфере с помоеье нагревных стен-дсг // Геомагнетизм к аэрономия, 1995. Т.ЗЕ. К.2. С. ta - 90.

24. Рапопорт B.C., Миракенко Л.С., иктяког С.К., Трактенгерп Е.Ю. Исследование пространстЕенно-Бременной структуры внутренних гравитационных волн е нижней ионосфере с помощью нагрегных стендов // Геомагнетизм к аэрономия, 1995. Т.35. К.З, С. 5: - 82.

25. Мкткков С.К.,' Рапопорт Е.0., Трахтекгерц В.Е. 5'глован анизотропия внутренних гравитационных волк в мевосфере // Геомагнетизм к аэрономия, 1995. Т.35. N.E. 0.142-144.

26. мигяков С.Н., Рапопорт E.G., Трахтекгерц Е.Ю. Поляризация внутренних 1 равкгааиокнкх боле в мезосфере // Геомагнетизм к аэрономия, 1995. Т.35. N.5. C.i44-I4£

27. Иктяков- С.Н., КакарякоЕ В.И., Рапопорт В.Q.,-Трахтекгерц B.D. Резонансная структура частотного спектра внутренних гравитационных воле е мезосфере // Геомагнетизм и азрономкя, 1635. Г.35. К.Б.

28. Ыктйков C.H., Накарякзв В.М., Трахтенгерц В.Ю. Отражение внутренних гравитационных волн от мевосферкого волноводз // Геомагнетизм и аэрономия, 1935. 1.35. К.6.

23. S.N.Mityakov, V.C.Rapopcrt, V.Yu.Trakhtenrercs. Investigation a? internal gravity waves m the mesospnere by means ELF radiation generated oy HF heating. Abstract of .Second Vclpa International Suraer School Jn Space Plasma Physics. N.Novgcroa, 1995. P..55.

Под п. 28.08.95. Формат 60 * 841/16. Бумага оберт. Печать офсетная Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 172. Бесплатно.

Лабораторий офсетной печати Нижегородского государственной

технического университета.

603022, Нижний Новгород, пр.Гагарина, 1.