Воздействие ионосферы, искусственно модифицированной мощным наземным (вертикальным и наклонным) радиоизлучением, на распространение декаметровых радиоволн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГ6 ' од

1 9 ДПР |993 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МА1НЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

На правах рукописи

БОШРЁВ Геннадий Сергеевич

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНОСФЕРЫ, ИСКУССТВЕННО МОДИФИЦИРОВАННОЙ МОЩНЫМ НАЗЕМНЫМ (ВЕРТИКАЛЬНЫМ И НАКЛОННЫМ) РАДИОИЗЛУЧЕНИИ,!, НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ДЕКАМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской Академии Наук

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор ГУСЕВ В.Д.

доктор физико-математических наук профессор ИВАНОВ В.А.

доктор физико-математических наук профессор ЛУКИН Д.С.

Ведущая организация : Научно-исследовательский

радиофизический институт (НИРФИ)

дадии специализированного совета Д 002.83.01 в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН

Адрес: 142092, г.Троицк, Московской обл., ИЗМИРАН Проезд: метро ст.Тёплый Стан, автобус № 531, остановка ИЗМИРАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН

Защита состоится

на засе-

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат.наук

О.П.КОЛОМИЙЦЕВ

1

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена экспериментальным исследованиям особенностей распространения радиоволн, обусловленных воздействием на околоземную ионосферную плазму мощных наземных (вертикальных и наклонных) потоков электромагнитной энергии для создания/разрушения управляемых ионосферных каналов распространения.

Актуальность проблемы. Как показали исследования последних лет, околоземная ионосферная плазма испытывает постоянное и всё более растущее антропогенное воздействие на нее энергии радиоволн, излучаемых мощными наземными радиосредствами. Вместе с тем, радиосвязь в декаметровом диапазоне играет важную роль в обеспечении сети радиовещания и радиосвязи на различные расстояния, службы стандартных частот, сети гидрометеослужбы, загоризонтной радиолокации и т.д. Однако надежность и качество передаваемой информации на сегодняшний день зачастую не удовлетворяют пользователей её, а традиционное увеличение мощности передатчиков,как оказалось, не всегда приводит к желаемому результату.

В связи с этим встает вопрос отыскания нетрадиционных путей улучшения надежности и повышения прогнозируемости .её. Представляется однюл из возможных способов решения этой проблемы создание управляемых и прогнозируемых каналов распространения радиоволн на различные расстояния посредством целенаправленного изменения параметров околоземной плазмы.

Крайне важным в проблеме распространения декаметровых радиоволн является знание наперед прогнозируемых параметров канала распространения, определяющим фактором которого является околоземная ионосферная плазма. Состояние канала распространения характеризуется прежде всего сложными физическими процессами , протекающими в ионосфере, которая, к тому же, испытывает постоянное и все более растущее антропогенное воздействие на неё деятельности человека, включая энергию радиоволы, излучаемую мощными наземными радиосредствами. Поэтому особое значение для прогнозируемой и управляемой радиосвязи, для создания/разрушения канала распространения приобретает задача дальнейшего детального изучения неоднородной и возмущенней ионосферы мцщным наземным радиоизлучением, которая существенно влияет на энергетику радиоволн КВ диапазона. Проведение' таких исследований диктуется необ-

ходимостью построения полной модели ионосферы, максимально адекватно описывающей протекающие в ней физические процессы, а также вопросами, связанными с возможностью искусственного целенаправленного изменения параметров ионосферной плазмы для создания управляемых каналов распространения. Последнее представляется возможным достичь путем воздействия на ионосферу мощным наземным радиоизлучением, адекватного моделирования искусственно возмущенной ионосферы в реальном масштабе времени с применением современных вычислительных средств, разработки оптимальных алгоритмов управления параметрами приземной плазмы с помощью наземных радиосистем, разработки новых и развития известных методов расчета характеристик радиосигналов, проходящих через возмущенную ионосферу.

Таким образом, вытекающая из вышесказанного проблема изменения параметров околоземной ионосферной плазмы мощным наземным радиоизлучением для управления состоянием каналов распространения представляет наряду с фундаментальным и большой практический интерес. Первостепенное значение при этом имеет исследование эффектов воздействия искусственно модифицированной ионосферной плазмы мощным наземным (вертикальным и наклонным) радиоизлучением на распространение радиоволн, проходящих через возмущенную ионосферу, чему и посвящена настоящая работа.

Несомненным подтверждением актуальности и значимости изучения физики явлений, возникающих в ионосферной плазме в условиях мощного наземного радиоизлучения, и эффектов воздействия искусственно возмущенной ионосферы на распространение радиоволн следует признать как возросшую активность проводимых в мировой науке исследований, так и учреждение при УРСИ официального периодического (раз в два-три года) и специального международного симпозиума под названием "Суздальский" по модификации ионосферы мощным радиоизлучением. Началом этому международному научному форуму послужил Всесоюзный симпозиум, проведенный в г.Суздале в 1983 г.

Целью работы является исследование особенностей распространения радиоволн декаметрового диапазона в.условиях воздействия на околоземную ионосферную плазму мощных потоков электромагнитной энергии для создания/разрушения управляемых каналов распространения, включая:

- исследование структуры и моделирование области эффективного

воздействия наземного вертикального мощного радиоизлучения на верхнюю ионосферу для задач распространения радиоволн;

- изучение рефракционных и дифракционных свойств искусственно возмущенной области ионосферы;

- исследования вариаций параметров радиоволн в условиях вертикального и наклонного воздействия больших потоков электромагнитной энергии с поверхности Земли на ионосферу.

Научная новизна работы определяется полученными основными результатами:

- Впервые на основе проведенных целенаправленных комплексных исследований воздействия области верхней ионосферы, возмущенной мощным радиоизлучением, на распространение декаметровых радиоволн получены новые результаты по вариациям их траекторных и энергетических характеристик, по модификации ионограмм НЗ. Обнаружен эффект увеличения и разработан новый способ экспериментального определения МП трассы, обнаружена сложная структура сигналов обратного рассеяния от искусственно возмущенной области ио -носферы. Показано, что распределение интенсивности флуктуаций возмущенной электронной плотности не совпадает с распределением энергии волны накачки в пределах диаграммы направленности нагре-вного стенда.

Для объяснения обнаруженных эффектов предложена радиофизическая "линзовая" модель искусственно возмущенной области (ИБО) ионосферы для задач рефракции и модель периодических возмущений диэлектрической проницаемости среды для задач рассеяния радиоволн. Сформулирована концепция двуединого (структурная линза -линза с мелкомасштабными неоднородностями) модельного описания ИБО, могущая позволить в дальнейшем с единых позиций описывать эффекты рассеяния и распространения радиоволн через это искусственное образование.

- Впервые на достаточном объеме экспериментальных данных, полученных с использованием различных радиофизических методов, обнаружено явление значительной модификации ионосферной плазмы наземным мощным наклонным радиоизлучением и исследовано его воз -действие на параметры (амплитуда, углы прихода, ддплеровский сдвиг частоты) пробных волн близких частот, а также на ионограм-

НЗ и ВЗ в средней точке тр-ассн. Обнаружено наличие эффекта

самовоздействия мощных радиоволн и Люксембург-Горьковского эффекта на наклонных трассах НЗ в декаметровом диапазоне радиоволн.

- Предложен и реализован комплексный подход, основанный на использовании геометрической оптики и параболического уравнения, для численного моделирования взаимодействия двух сигналов на наклонной трассе, который позволил дать качественное объяснение полученных в экспериментах вариаций амплитуды пробных сигналов.

Достоверность полученных результатов и выводов определяется физической обоснованностью поставленных экспериментов с использованием различных радиофизических методов; большими рядами экспериментальных данных, на основе которых делаются соответствующие выводы; экспериментально обнаруженными новыми явлениями,развитой физической картиной их и хорошим согласием с результатами численного моделирования; повторяемостью результатов и подтверждением в более поздних экспериментах других авторов. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты'экспериментальных исследований влияния области верхней ионосферы, искусственно возмущенной вертикальным мощным радиоизлучением, на вариации характеристик декаметровых волн, прошедших через эту область:

- амплитуду и углы прихода в обеих плоскостях,

- искажения дистанционно-частотных характеристик сигналов НЗ,

- на структуру ДЧХ сигналов обратного рассеяния от искусственно возмущенной области,

- смещение области интенсивной генерации мелкомасштабных неодно-родностей в плоскости магнитного меридиана от зенита,

- способ экспериментального определения МПЧ радиолинии.

2. Явление изменения параметров ионосферной плазмы мощным наземным наклонным радиоизлучением, обнаруженное в комплексных экспериментах исследования вариаций параметров пробных и самих мощных радиоволн декаметроього диапазона, таких как:

- амплитуда и углы прихода в обеих плоскостях,

- монограммы НЗ и ВЗ в средней точке радиотрассы,

- текущие спектры,

- нелинейный- характер изменения напряженности поля сигнала в точке приема при изменении эффективной мощности излучающего передатчика (эффект самовоздействия),

- наличие Люксембург-Горьковского эффекта в КВ диапазоне на на-

клонных трассах.

3. Представление возмущенной области ионосферы в форме локализованной крупномасштабной неоднородности для задач рефракции и в форме периодической зависимости диэлектрической проницаемости среды от координат для задач обратного рассеяния радиоволн. Способ моделирования нелинейного взаимодействия двух разных по мощности и близких по частоте радиоволн.

Научная и практическая значимость работы определяется положениями, которые выносятся на защиту, и тем, что:

- полученные основные результаты являются новыми, позволяют ставить как задачу формирования управляемых, наперед прогнозируемых каналов распространения, так и решать обратную задачу восстановления параметров среды, раскрывающую физику взаимодействия мощного наземного радиоизлучения с плазмой для изучения околоземной ионосферы и разработки наиболее адекватной её модели. Практическое значение имеет увеличение и разработанный способ оперативного экспериментального определения МПЧ радиолинии, могут иметь обнаруженное смещение от зенита области интенсивной генерации мелкомасштабных неоднородностей и тонкой структуры сигналов обратного рассеяния;

- явление самовоздействия мощных радиоволн на наклонных трассах позволяет наполнить новым содержанием задачу повышения эффективности и качества передачи информации на различные расстояния и для различных геофизических условий посредством формирования управляемых каналов распространения в отличие от принятого в практике наращивания мощности радиопередающих систем, адаптации радиотехнических систем нового поколения к условиям их эксплуатации; по-новому ставить и решать проблему стратегии развития средств связи. Обнаруженное явление важно для эффективного Функционирования радиотехнических систем, использующих ионосферу в качестве тракта передачи информации;

- обнаруженное наличие Люксембург-Горъковского эффекта в КВ диапазоне необходимо учитывать в практике использования ионосферных каналов распространения, б целях учета возможного эффекта разрушения соседних частотных каналов;

- на отдельные результаты получены акты внедрения и свидетельство на изобретение.

Реализация результптов. Результаты работы (разработанные

методики экспериментов, их результаты и подходы моделирования полученных результатов) использовались в НИРФИ, СФТИ, ААНИИ.НИИ Радио, Казанском и Калининградском университетах, НИИССУ, при проведении работ по проблеме распространения радиоволн и искусственной модификации ионосферы и отражены в отчетах ИЗМИРАН по НТП I7Q1T "Атмосфера", по научно-исследовательским темам: "Исследование особенностей пространственно-временной структуры ионосферной плазш в целях обеспечения задач распространения радиоволн" (№ гос.per. 01.86.0078160), "Разработка асимптотических методов расчета волновых полей в неоднородной и искусственно возмущенной ионосфере" (№ гос.per. 01.86.0078149), "Исследованиеискусственных возмущений околоземной плазш методами активного воздействия на ионосферу" (№ гос.per. 01.86.0083812), "Экспериментальные исследования особенностей распространения декаметровых радиоволн в регулярной и искусственно-возмущенной ионосфере" (№ гос.per.' 01.9.10030233), в которых автор в разные годы являлся либо научным соруководителем, либо ответственным исполнителем. Отдельные результаты диссертации приняты в документы МККР, вклго-чены в ряд обзоров. Получено четыре акта о внедрении и использовании результатов диссертации.

Литный вклад автора. Диссертация в основе своей носит экспериментальный характер. Поставленные цели настоящей работы потребовали комплексной постановки экспериментов и использования уникальных радиотехнических систем, что повлекло создание автором на инициативной основе межведомственной кооперации на принципах научного сотрудничества. В работе обобщены исследования, основное содержание которых изложено в 46 публикациях. В статьях в соавторстве автору принадлежит,, в основном, постановка задач, руководство, организация и непосредственное участие в конкретных экспериментах, в обработке данных и проведении анализа, в осмысливании и интерпретации полученных результатов, формулирование выводов.

Апробация результатов. Результаты диссертации докладывались на XI, Х1У-ХУ1 Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн (Томск, 1978; Ленинград, 1984; Алма-Ата, 1987; Харьков,1990), на Всесоюзных научно-технических конференциях общества радиотехники, электроники, и связи игл.А.С.Попова (Новосибирск, 1980,1985; Душанбе, 1906; Калининград, 1989), на ХШ Всесоюзной сессии об-

щества А.С.Попова (Москва, 1991), на Всесоюзных совещаниях по специальным вопросил физики ионосферы и распространения радиоволн (Горький, 1980, 1989), на Всесоюзном симпозиуме "Ионосфера и взаимодействие декаметровых радиоволн с ионосферной плазмой" (Звенигород, 1989) и семинарах 9-ой секции Научного совета АН СССР "Распространение радиоволн" по проблеме "Распространение радиоволн в неоднородной ионосфере высоких и средних широт"(Мурманск, 1975, 1985; Звенигород, 1978, 1986), на Всесоюзном сиглпозн-уме "Эффекты искусственного воздействия мощным радиоизлучением на ионосферу Земли" (Суздаль, 1983), на XX и ХХШ Генеральных ассамблеях URSI (Вашингтон, США, 1981; Прага, Чехословакия, 1990), на 1-И Международных "Суздачьских " симпозиумах URSI по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1986; icroms¿ .Норвегия, 1988; Суздаль, 1991), на Международной конференции СОБРАН ( Toulouse , Франция, 1986), на Заключительных собраниях международного консультативного комитета по радио МККР (Женева, Швейцария, 1989, 1991), на научных конференциях (1975, 1978, 1979,1981, 1985), секциях Ученого совета (1983, 1989) и семинарах ИЗМИГЛН.а таете на ряде межведомственных совещаний и семинаров: НИРФИ, ЕГИ, СФТИ, АЛ1Ш, НИИР, Калининградского ГУ и др.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения. Общий объем 508 страниц, включая 24? страниц текста, 79 рисунков и 14 таблиц на 65 страницах, список использованных источйиков из 221 наименования па £6 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы. Раскрыта её актуальность, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту, обоснованы научная новизна, достоверность полученных в диссертации результатов, научная и практическая значимость выполненных исследований, Приведено краткое содержание диссертации.

Первый раздел посвящен экспериментальным исследованиям характеристик радиоволн, распространяющихся е условиях вертикального воздействия мощного радиоизлучения на верхнюю ионосферу.

Па период постановки настоящих исследований из экспериментов

по вертикальному зондированию, ракурсному рассеянию, радиопросвечиванию с ИСЗ и дискретных радиоастрономических источников, радиолокации в широком диапазоне частот было известно, что при вертикальном воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением, в околоземной плазме происходит нарушение баланса ионизации и возникают искусственные ионосферные неоднородности различных масштабов, вытянутые вдоль магнитного поля Земли. С целью выявления влияния искусственно вызванных мощной волной в области верхней ионосферы возмущений на распространение декаметровых радиоволн в 1974 г. впервые были проведены эксперименты по измерениям энергетических и траекторных параметров КВ на наклонных трассах.

В 1.1 и 1.2 излагаются постановка, методика обработки данных 'и результаты экспериментов по измерениям вариаций интенсивности и углов прихода в обеих плоскостях сигналов НЗ в условиях односкач-ковых трасс, когда вертикальное воздействие на ионосферу выполнялось в середине трассы - в вершине первого скачка. Измерения проводились на прямой и обратной трассах в дневное время суток (11.00 - 15.30, время 45° Е) в условиях средних широт. В средней точке трассы был расположен мощный передатчик с эффективной мощностью РС«>20 Мгвт, обеспечивающий напряженность поля на высотах области Г~0,17' в/м. Здесь же работала ионосферная станция ВЗ, контролирующая ионосферную ситуацию.

Мощный передатчик работал немодулированным сигналом ("0"-вол-ной) на частоте 5,75 [.Тц. Передатчик, излучающий пробные (слабые) волны,.работал: на прямой трассе - в режиме несущей на шести фиксированных частотах в диапазоне 13-21 МГц, на обратной - 16-и минутными сеансами на различных фиксированных частотах в импульсном режиме ( = 200 мкс) с частотой повторения 10 Гц.

В результате анализа полученных эксперкментальных данных и построенных по ним графиков вариаций амплитуды и углов прихода был обнаружен аффект влияния искусственных ионосферных возмущений на исследуемые параметры регистрируемых сигналов. В среднем при-, мерно через 1,5 мин после начала нагрева амплитуда сигнала начинала уменьшаться, через ~3 мин составляла~0,9 от первоначального значения, а спустя ~ 2 мин после выключения мощного передатшь ■ ка уровень сигнала достигал своего первоначального значения. Азимутальный угол прихода сигнала при нагреве ионосферы изменялся на ~0,3°-0,6°, а спустя некоторое время после выключения мощного пе-

редатчика принимал свое первоначальное значение. Нагрев ионосферы сопровождался также увеличением дисперсии вариаций азимутального угла примерно в 1,55 раза. Изменения вертикального угла прихода, обусловленные искусственно возмущенной областью ионосферы в условиях проведенных экспериментов, достигали~1-2а дисперсия их значений также росла. Было установлено, что характерные времена развития и релаксации обнаруженных эффектов составляют единицы минут.

В 1.3 с целью изучения тонкой структуры искусственно возмущенной области (ИБО) ионосферы-и ее воздействия на параметры де-каметровых радиоволн была проведена серия экспериментов по ракурсному рассеянию радиоволн. Нагрев ионосферы выполнялся нагревны-Ш1 стендами "Сура" и "Ястреб" "0"-волной на частотах вблизи £0Р2 (4,8 и 5,8 МГц).

С целью достижения максимального эффекта резонансного воздействия мощного радиоизлучения на ионосферную плазму проводилось варьирование мощности нагревного передатчика. Излучатель пробных сигналов работал на фиксированных частотах как в режиме несущей, так и в импульсном режиме с длительностью импульсов 100 и 500 мкс п частотой повторения 10 Гц. В пункте приема, расположенном з зоне проекции конуса ракурсного рассеяния на Землю, проводилась регистрация уровня ракурсно рассеянных сигналов и вариаций азимутального угла прихода прямого и рассеянного от ИБО сигналов, как правило в период времени с 15.00 -до 24.00 МСК. В результате такой постановки экспериментальных измерений был получен четкий эффект увеличения относительной амплитуда и усиления модуляции пробного сигнала в пункте приема, обусловленных тонкой структурой возмущенней области, с некоторыми переходными процессами в моменты включения и выключения мощного (нагревного) передатчика. Время установления процесса нелинейного взаимодействия мощных радиоволн с ионосферной плазмой, наиболее характерное для проведенных измерений на частоте 19850 кГц, составляет~5-10 с, а время релаксации ~4-8 с. Анализ количества случаев наблвдения ракурсных сигналов, коррелированных с моментами включения и выключения стенда "Сура", показал, что четкий эффект ракурсного рассеяния наблюдайся: для í =16604 кГц примерно в 75% случаев, для 5 =18197кГц в 84$ случаев и для § =19850 кГц в 60% случаев. Это указывает на достаточно большую надежность возможного увеличения уровня вол-

нового поля за счет эффекта ракурсного рассеяния на искусственных неоднородностях. Проведенное усреднение измеренного азимута рассеянных сигналов за период наблюдения показало, что ИБО ионосферы, ответственная за формирование ракурсных сигналов, смещается к югу на~3-4° относительно направления из точки приема на нагревный стенд.

Распределение интенсивности флуктуаций плотности в пределах диаграммы направленности нагревного стенда исследовалось и в 1.4 путем экспериментальных измерений зависимости интегрального поперечника рассеяния радиоволн искусственными неоднороднос-тями с ^ =3 м от зенитного расстояния центра области, ответственной за ракурсное рассеяние, в экспериментах по ракурсному рас-'сеянию УКВ. Измерения проводились в условиях излучения нагревным стендом с эффективной мощностью Р(^20 МВт на ^5,75 МГц. На приемном конце радиолинии измерялись амплитудно-временные характеристики, средний уровень и углы прихода рассеянных возмущенной областью сигналов в обеих плоскостях. В пункте нагрева по данным ВЗ определялась высота отражения волны накачки и /V (к )-про-филь. Зенитное расстояние центра области ракурсного рассеяния относительно вертикали в пункте нагрева определялось по одновременным измерениям высоты, на которой локальная плазменная частота ионосферы равна частоте нагрева, и угловых координат области рас-сеяшяна приемном конце радиолинии. Было показано, что распределение ( л N / N в возмущенном объеме в горизонтальном направлении существенно отличается от гауссовой зависимости, обычно используемой для интерпретации данных по ракурсному рассеянию, и не совпадает с распределением энергии в пределах диаграммы направленности нагревного передатчика. Максимум интенсивности флуктуаций /Уе смещен к югу от зенита на ~15°.

Разработанные в ИЗМИРАН на современном радиотехническом уровне станции вертикального и наклонного зондирования ионосферы с высоким временным и частотным разрешением "Сойка" и "Базис" позволили поставить и провести в 1.5 экспериментальные исследования эффекта влияния ИБО на дистанционно-частотные характеристики (ДЧХ) сигналов ИЗ в условиях среднеширотной односкачковой ( х>~ 1100 км) трассы. В период измерений на конечных пунктах радиотрассы станции "Сойка" и "Базис" работали синхронно в импульсном режиме НЗ с линейно-дискретным изменением частоты, с шагом 50 кГц

в диапазоне 1,2+21,1 МГц, с длительностью импульсов 100 мкс и частотой повторения 25 Гц. При этом погрешность измерения задержки сигналов не превышала 3 км. Излучение нагревним стендом "Сура", расположенным в середине трассы, осуществлялось на "О" и "1" компонентах десятиминутными циклами с паузой той же длительности, как правило, на частоте 5,828 МГц.

Анализ снятых ДЧХ (в т.ч. при Рй~50 МВт, "О" компонента) позволил обнаружить увеличение МПЧ исследуемой трассы на~8-105?, которое может достигать 20$ для существующих нагревных стендов. В периоды работы нагревного стенда были зарегистрированы и устойчивые сигналы обратного рассеяния на дальностях от 610 до 680 км в виде треков, которые расщеплялись в процессе нагрева и при увеличении его длительности на 2-3 группы. Треки занимали диапазон частот от ~ 12 до ~14 МГц и наблюдались в интервале 2-3 МГц с максимальным отклонением от наблюдаемой (~13 МГц) МПЧ на +1,5 МГц. Обнаруженные частотные особенности СОР позволили сформулировать новую методику оперативного экспериментального определения МПЧ для односкачковых радиотрасс.

Второй раздел посвящён разработке признаков модельного описания искусственно возмущенной области верхней ионосферы для интерпретации полученных в экспериментах эффектов и в целом для задач распространения декаметровых радиоволн.

С этой целью в 2.1 и 2.2 на основе известной научной литературы дан анализ существующих представлений о взаимодействии мощного вертикального радиоизлучения с ионосферной плазмой с учетом отдельных элементов теории формирования области искусственных ионосферных возмущений и экспериментальных и теоретических оценок масштабов возмущений. Проведенный анализ существующих на тот период представлений и измеренные в наших экспериментах (раздел I) времена релаксации наблвдаемых эффектов ( ~ минут), соответствующих тепловому механизму.нелинейного воздействия мощных волн на ионосферу, приводящему к крупномасштабному возмущению электронно,, плотности, позволили в 2.3 сформулировать возможное "линзовое" представление области искусственного ионосферного возмущения в верхней ионосфере и её основные признаки (форма, пространственное положение, геометрические размеры, величина максимального возмущения электронной плотности в центре и закон изменения электронной плотности в пределах ИБО) для объяснения вариаций энерге-

тических и траекториях параметров пробных сигналов НЗ, проходящих через ИВО ионосферы. Итак, представляется возможным констатировать, что в околоземной ионосфере под действием мощного вертикального радиоизлучения на частотах, близких к на высотах тахТ слоя образуется область локальных возмущений электронной концентрации. Эта область представляет собой неоднородную, достаточно стабильную (продолжительность жизни несколько минут) структуру и подвержена воздействию существующих ветров. Горизонтальные размеры её определяются шириной диаграммы направленности антенны нагревного стенда, центр её расположен на высотах отражения мощной волны. Величина возмущения л л//л/ максимальна в центре и определяется мощностью используемого стенда.

Вместе с тем, наличие эффекта ракурсного рассеяния на искусственных неоднородностях свидетельствует о тонкой структуре ИВО и указывает на возможность формирования в области возмущения квазипериодической структуры неоднородностей с различными масштабами, вытянутых вдоль магнитного поля Земли. Поэтому в 2.5 была поставлена и численно решена трехмерная задача моделирования динамики возмущенных изолиний равной концентрации в верхней ионосфере при локальном тепловом нагреве Г области ионосферы. Результаты её показали принципиальную возможность формирования решётки сильно вытянутых вдоль силовых линий магнитного поля Земли искусственных неоднородностей с характерными масштабами. Все это позволило в 2.4 сформулировать и предложить модельное представление ИВО в виде крупномасштабной, "линзовой" неоднородности для описания рефракции радиоволн на искусственно возмущенной области и модель возмущенной диэлектрической проницаемости среды в форме некоторой периодической функции от координат для задач рассеяния на ИВО верхней ионосферы.

В третьем разделе с целью интерпретации полученных в первом разделе экспериментальных результатов исследуется влияние такой крупномасштабной возмущенной области в представлении раздела 2, локализованной вблизи средней точки трассы, на измеренные характеристики сигналов НЗ, прошедших через ИВО, а также влияние возмущенной диэлектрической проницаемости в форме некоторой периодической функции от координат на параметры сигналов, рассеянных этой ИВО.

В 3.1 в рачках геометрической оптики с использованием метода

малых возмущений для решения лучевых уравнений в условиях, максимально приближенных к условиям эксперимента, путем использования ионограмм ВЗ, полученных в средней точке трассы, обсуждается постановка и решается задача влияния ИБО ионосферы на дальность и углы прихода КВ сигнала в точку приема в обеих плоскостях. Задача решена для квазипараболической модели изотропной станционар-ной ионосферы со сферически симметричной гауссоидальной зависимостью электронной плотности внутри ИБО. Получены аналитические формулы для исследуемых параметров и сделаны их численные оценки. В рамках выбранных моделей регулярной ионосферы и ИБО, приближенных к условиям эксперимента, показано, что величина вариаций углов существенно зависит от характерных масштабов и возмущения электронной плотности в центре возмущенной области. Проведенное качественное и количественное сравнение рассчитанных вариаций углов прихода с измеренными в эксперименте позволило сделать вывод о достаточно хорошем согласии полученных результатов и о возможности использования принятой модели ИВО для оперативных оценок эффектов рефракции декаметровых радиоволн в условиях воздействия на ионосферу мощного вертикального радиоизлучения, в том. числе, для запитки энергии з ионосферные волновые каналы, увеличения дальности и повышения надежности передачи информации:.

В 3.2 и 3.3 на основе использования рефракционное свойств ИВО дается качественное (с некоторыми количественными оценками) объяснение изменений ШЧ, обусловленных вертикальным воздействием на ионосферу мощнум радиоизлучением и зарегистрированных в 1.5. Для этого л геометрооптическом приближении для условий эксперимента проведены модельные расчеты изменения МПЧ за счет рефракции сигналов КЗ на локализованной в пространстве искусственной крупномасштабной неоднородности с пониженной электронной концентрацией. Задача решалась для двумерно-неоднородной изотропной ионосферы с учетом градиентов электронной плотности. Проведенные численные оценки показали, что абсолвтное значение увеличения МПЧ может достигать 20% при увеличении РО до 150-200 МВт. В 3.3, где представлены результаты решения прямой и обратной задачи ИЗ в широком диапазоне частот искусственно возмущенной области.верхней ионосферы, показано, что характер влияния ИВО на характеристики радиоволн зависит не только от абсолютного значения возмущения в центре ИВО, но и от положения ее на траектории луча. Причём, рассмотренные эф-

фек.'Ц максимальны при расположении ИБО в средней точке трассы. Выполненное численное моделирование дистанционно-частотных характеристик и углов прихода сигналов ИЗ для различных дальностей показало, что такал крупномасштабная ИВО может приводить к фокусировке лучей и приводит к существенным изменениям в групповом запаздывании проходящих через неё сигналов НЗ, что позволяет успешно исполз.зовать метод НЗ для дистанционной диагностики возмущения электродной плотности внутри ИВО. Сделаны оценки оптимального интер;зала дальностей в котором наиболее ц-злесообразно осуществлять пяклонное зондирование ионосферы для диагностики возмущений.

В 3.5 предложено возможное объяснение структуры сигналов обратного рассеяния на основе решения задачи моделирования отражения КВ от мелкомасштабной структуры ИВО верхней ионосферы, представляемой слабо возмущенной диэлектрической проницаемостью в форме некоторой периодической функции вдоль оси её осцилляции. Рассчитывается зависимость коэффициента отражения от длины падающей волны для случая монохроматических волн. Получено, что коэффициент отражения носит резонансный и одновременно сильно осциллирующий характер. Проводится обобщение решения задачи отражения монохроматических волн на случай короткого радиоимпульса трапецеидальной формы с характерными масштабами в соответствии с импульсным излучением, используемым в эксперименте. Рассчитанная для условий экспериментального наблюдения СОР огибающая отраженного сигнала имеет достаточно изрезанный вид, а разработанный алгоритм позволяет получать разное количество максимумов огибающей, которые могут идентифицироватьчигло треков в эксперименте. Проведенный анализ позволил оценить размер ИВО вдоль луча (~ 60-75км), а также поперечный масштаб неодаородностей ( ^-10 м) с характерными временами их развития (¿Юс), дапцих определяющий вклад в величину отраженного поля.

Качественное объяснение зарегистрированного азимутального смещения направления приема ракурсно рассеянных возмущений областью КВ сигналов на юг проведено в 3.5 путем расчета плотности рассеивающих центров внутри ИВО, удовлетворяющие условиям наблюдений ракурсных сигналов в пункте приема, по разработанной методике расчета геометрии ракурсного рассеяния радиоволн на анизотропных неоднородностях. Показано, что для условий эксперимента

плотность заполнения рассеивающими центрами внутри некоторой модельной ИБО, формирующими ракурсно рассеянные сигналы в пункте приема, наибольшая для области, смещенной в юго-западном направлении относительно направления на нагревный стенд. Причем, для § =18197 кГц плотность заполнения ниже, чем для f =19850 кГц, что качественно согласуется с экспериментальными данными по измеренным величинам относительной амплитуды.

В 3.6 проведено численное моделирование распределения интенсивности искусственных флуктуаций плотности, генерируемых мощным вертикальным радиоизлучением в пределах диаграммы направленности антенны нагревного стенда, в рамках теории тепловой параметрической неустойчивости. Это моделирование проведено на основе поиска механизмов, описывающих смещение к югу от зенита области интенсивной генерации мелкомасштабных неоднородностей, зарегистрированное в экспериментах на /КВ. Проведенные оценки для условий эксперимента показали, что обнаруженное смещение обусловлено выполнением условия квазипродольного распространения мощной волны обыкновенной поляризации в области эффективного поглощения её энергии и наличием естественного горизонтального градиента электронной плотности в направлении север-юг, приводящего к наклону поверхности равных концентраций к югу.

Четвертый раздел посвящен экспериментальным исследованиям эффектов распространения радиоволн в условиях наклонного воздействия на ионосферу мощным наземнкм радиоизлучением.

В отличие от изменения параметров ионосферной плазмы мощным вертикальным наземным излучением на плазменных частотах, проблема измененга параметров ионосферной плазмы мощным наклонным радиоизлучением и нелинейного воздействия его на характеристики других воля близких частот к настоящему вргмени .представляется заметно менее изученной, о чем свидетельствует обзор литературы и анализ современного состояния вопроса, представленные в 4.1. Вместе с тем, околоземная ионосфера постоянно испитывает на себе все более растущее воздействие больших потоков электромагнитной энергии, излучаемых наземными радиотехническими системами, работающими в режиме наклонного зондирования на частотах, превышающих плазменные.

В этой связи в 4.2 обсуждаются методические особенности постановки экспериментов с целью обнаружения эффекта искусственно-

го изменения параметров ионосферы мощным наклонным радиоизлучением с поверхности Земли на частотах, выше критической для области отражения (вблизи МПЧ Г2 трассы). Обосновывается, в том числе, выбор рабочих частот (мощного и пробного сигналов), режим излучений, способ выделения пробных сигналов, а также оригинальное использование метода пробных волн на близких к мощному излучению частотах,.

В 4.3 описаны экспериментальные исследования, впервые позволившие зарегистрировать эффект воздействия мощного наклонного радиоизлучения на верхнюю ионосферу. Эксперимент проводился на од-носкачково;! ( £>»1800 км) долготной трассе в геофизических условиях средних широт. Из одного и того же пункта излучались две радиоволны, сильно отличающиеся по мощности и слабо по частоте. Частота мощной волны выбиралась несколько меньше МИЧ Г2 слоя. Диаграммы направленности обеих антенн в азимутальной и ьиртикальной плоскостях перекрывались. Мощный передатчик работал 4-х мин.циклами излучения несущей с паузами той же длительности. Слабый - постоянно излучал импульсы длительностью ЬО мкс с частотой повторения I имп/с (для временного разрешения модов распространения). Такая постановка и техническая оснащенность эксперимента обеспечивали поле в области 12 средней точки трассы того же порядка, что и в эксперименте с вертикальным на.'ревом (раздел 1.1). Ионосферная ситуашя в средней точке трассы контролировалась с помощью станции ВЗ. На приемном конце трассы проводилась регистрация уровня сигнала мощчого передатчика, амплитуды и углов прихода в обеих плоскостях пробной волны (вертикальный угол с точностью ~1°, горизонтальный с точностью ~0,1°). При приеме использовалась полоса пропускания приемных устройств л{ =4 кГц с ослаблением вне ее (при расстройке на + 20 кГц) больше 60 дБ.

Проведенный анализ кривых распределения амплитуды и углов приема в обеих плоскостях слабого сигнала, построенных для и для , обнаружил эффект сильного (примерно в 2 раза)

увеличения амплитуды, изменения азимутального (на 0,15+0,20°) и вертикального (на 2-3°) углов пробных волн с некоторыми характерными временами для переходных периодов после выключения мощного передатчика, а также увеличение дисперсии флуктуаций горизонтального угла для случая и обоих углов для }п >;

Вариации параметров для >. /н качественно повторяют

характер изменения параметров для . Однако изменения Ис-

следуемых параметров после выключения мощного передатчика по абсолютным величинам заметно меньше, что может свидетельствовать о выраженной частотной зависимости обнаруженного эффекта.

В 4.4 проводятся дальнейшие экспериментальные исследования в только что рассмотренной постановке в условиях субавроральных морских радиотрасс с использованием научно-исследовательских судов (ШС). Комплекс аппаратуры на НИС позволял регистрировать вариации амплитуды пробных сигналов, регистрацию ионограмм НЗ в диапазоне 3,5 - 27,5 МГц на штатных радиолиниях Москва-НИС, Ленин-град-НИС, о.Хейса-Ш'С, которые использовались в дальнейшем в качестве средства диагностики текущего и возмущенного состояния ионосферы,, спектральные (доплеровским методом) измерения характеристик мощных и пробных КВ сигналов, а также регистрацию напряженности поля сигналов с помощью компаратора. Измерения проводились в дневные и ночные часы 4 час сеансами при различных режимах работы мощного передатчика с варьированием его эффективной мощности (Рэ). Протяженность радиотрассы изменялась от~1,7 до ~3.1 тыс. юл.

Показано, что резкое уменьшение Р_ приводит к плавному на-

О

растанию амплитуды пробной волны (антикорреляция вариаций амплитуды пробного и мощного сигналов), что качественно повторяет результаты раздела 4.3. Такая антикорреляционная связь наблюдалась 'в 60+85% случаев для $п< на ~ 30 кГц. Уменьшение Р с I до 0,1 приводит к более сильному (до ~ 20%) изменению среднего значения амплитуды, чем с I до 0,25 ( < 10$). Дисперсия амплитуды при Р =1 заметно превосходит соответствующее ее значение при Р =

Э <7

0,1; 0,25, а время восстановления уровня пробного сигнала при изменении Рд с I до 0,25 заметно меньше, чем при изменении Рд с I до 0,1, что не противоречит общефизическому пониманию исследуемого явления. Предлагается качественное объяснение обнаруженных в экспериментах вариаций амплитуды пробных сигналов с частотами, близкими к частоте мощного радиоизлучения. Суть его состоит в том.чтов поле мощной волны либо за счет самофокусировки мощного пучка, либо за счет интерференции между падающей и отраженной волнами происходит расслоение плазмы, па котором происходит рассеяние энергии слабой волны. В области же отражения мощной волны возмущение плазлм максимально, наиболее долго живущее и оказыва-

ёт в зависимости от частоты пробной волны либо фокусирующее, либо дефокусирующее действие на слабую волну в точке приема на Земле.

Анализ вариаций параметров монограмм НЗ в условиях воздействия на ионосферу мощным наклонным радиоизлучением и анализ динамических спектров мощного и пробного сигналов по данным доплеро-вских измерений проведены в 4.5. Показано, что при ^/МНЧ Т2& 0,68+0,81 и в спокойных геомагнитных условиях (Кр=1+) наблвда -лись исчезновения отражения от слоя Е4 и И- (примерно через 90 мин после начала работы мощного передатчика), появлялись квазипериодические (с периодом ~ 45+60 мин) вариации ННЧ 72 и МНЧ Г2. Причем амплитуда изменений ННЧ У2 достигала + 2,5МГц от среднего значения ННЧ за сеанс и заметно спадала при значениях •ДШЧ Р2>1. Кроме того в периоды ряда циклов излучения мощного передатчика по данным ионогра-лм НЗИ наблюдалось появление диффузных отражений от области Т2. Исчезновение отражений от Es , наблюдавшееся как правило при £/1ШЧ Е(~ 0,9, в дневное время наступало через ~ 90 мин, а в ночное - через~75 мин после включения мощного радиоизлучения.

Анализ динамических спектров на субавроральной трассе показал, что воздействие мощного наклонного радиоизлучения на ионосферу проявлялось в синхронном уширении спектров как мощного, так и пробного сигналов, что может свидетельствовать о возникновении в области отражения мелкомасштабных неоднородноотей, ответственных за рассеяние сигналов. Эффект уширения наиболее отчетлив в утренние часы, когда ¿м/нич Р,г~0,9+1,0, В отдельных сеансах ширина спектров сигналов в период работы мощного передатчика достигала ~ 6 Гц, в то время как в паузах его работы составляла лишь~0,3 Гц. При этом прослеживается корреляционная связь ширины спектра с эффективной мощностью мощного передатчика. Анализ динамическлх спектров пробных сигналов позволил выделить в них квазипериодические изменения доплеровского смещения частоты с амплитудой + 7 Гц и периодом ~ 30 сек.

В 4.6 эффект воздействия моцкого наклонного радиоизлучения на верхнюю ионосферу исследуется путем анализа вариаций параметров ионограш« вертикального зондирования, регистрируемых в средней точке трассы (~ 2 тис.юл). Измерения проводились в дополуденное и ночное время. Проведенный анализ полученных в условиях

отражения мощной волны от И области ионосферы ионограмм позволил обнаружить в утренних сеансах характерные для периода работы мощного передатчика серпообразные дополнительные следы отражений от области Р1 и перегибы в регулярных следах ионограш , являющиеся характернши признаками перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ). При работе мощного передатчика смещение этих перегибов происходило вверх в отличие от смещения их вниз, характерного для ГОШ в регулярной утренней ионосфере. Обнаруженные особенности в ионограммах ВЗ обуславливают расслоение ионосферной плазмы, могут приводить к повышению критической частоты слоя, а, следовательно, к увеличению ШЧ трассы, как и в случае вертикального воздействия мощного радиоизлучения на ионосферу. Численные оценки скоростей перемещения отмеченных перегибов в вертикальной плоскости по данным доплеровских измерений и на основе статистического анализа показали, что: -усредненная по 25 периодам наличия мощного радиоизлучения скорость их перемещения V направлена вверх и составляет ~142 м/с при С (стандартное отклонение от среднего величин скорости) «Ум/с; - усредненая по 40 периодам отсутствия мощного радиоизлучения V- 146 м/с, при - 10 м/с.

В 4.7 проведены экспериментальные исследования спектрально-частотных и энергетических характеристик мощного и пробного сигналов в условиях наземных измерений на среднеширотной одно-скачковой трассс Евро-Азиатского региона. При этом, напряжен ность поля, создаваемая мощным радиоизлучением в вершине стачка, составляла ~ + Ю-2 в/м. Измерения проводились в ночное время суток с 21.45 до 01.30 ВДВ на частотах ~7,3 1ЛГц и

~ 9,5 МГц. Приемная и анализирующая аппаратура позволяла разрешать доплеровское смещение частоты с точностью ~ 0,1 Гц. Анализ спектрограмм обоих сигналов позволил обнаружить квазипериодические вариации частоты пробного сигнала с периодом ~ 20 мин, амплитуда которых составляла "0,3-0,4 Гц. Качественно такие же вариации имели место в спектрах сигнала мощного передатчика, но при заметно меньшей юс величине. При значительном увеличении (до 0,5 Рэ, 1РЭ) эффективной мощности мощного передатчика в спектре мощного сигнала с разных сторон от основной составляющей со смещением относительно неё на~0,7-1 Гц обнаруживались дополнительные моды, которые исчезали при существенном ее уменьшении

(до 0,1 Р„). В отдельные дни наблюдалась достаточно интенсивная э

рассеянная компонента пробного сигнала. Анализ рассчитанных спектров автокорреляционных и взаимокорреляционных функций показал, что в спектрах квадрата амплитуды пробного сигнала при <

<1 наблвдаются четко выраженные максимумы с периодами ~ 30, '15 мин, которые имеют место и в спектрах мощного сигнала, что не отмечается при / £Н1и> I.

В 4.8 проводится анализ экспериментов по исследованию характера зависимости уровня принимаемого сигнала от излученной мощности и определения диапазона частот, в котором проявляется воздействие мощной на пробные волны. Измерения проводились в условиях, когда максимальная напряженность полк мощного радиоизлучения в вершине скачка могла достигать ~ 0,1-0,2 в/м. Частота мощ-■ной волны была 9470 кГц. Передатчик пробных волн работал в режиме несущей, мощных волн - в режиме амплитудной модуляции (тоном 400 Гц) с разными временными интервалами излучения. Эффективная мощность мощного передатчика изменялась ступенями 0,1РЭ;0,25РЭ; 0,5РЭ; 1РЭ и обратно. Обнаружено, что, начиная с некоторого значения Рз мощного передатчика зависимость уровня принимаемого сигнала от эффективной мощности излучения его обнаруживает нелинейный характер, что свидетельствует о наличии эффекта самовоздействия. Этот эффект подтверждается и данними анализа зависимости интегральной плотности мощности мощного сигнала в точке приема от эффективной мощности излучения мощного передатчика, полученной в экспериментах раздела 4.7. Показано, что для условий эксперимента диапазон частот, в котором проявляется воздействие мощного радиоизлучения на пробные сигналы путем переноса модуляции мощного сигнала на пробные, проходящие через область эффективного взаимодействия мощного радиоизлучения с ионосферой, может достигать + 200 кГц от номинала частоты мощного радиоизлучения. Причём с увеличением Рэ этот дапазон частот расширяется.

Пятый раздел посвящен моделированию нелинейного взаимодействия двух волн разной мощности и близких частот при их наклонном распространении в ионосфере.

С целью проверки гипотезы о расслоении ионосферной плазмы под действием стоячей волны (см.4.4) и интерпретации экспериментальных результатов, для условий, моделирующих эксперимент, в. 5.1 обсуждена постановка задачи. Показано, что в области сильной,.

дифракции (в области отражения волны), где геометрическая опти-1 ка (ГО) ке применима, задача сводится к решению системы из двух параболических уравнений (ПУ) для мощной и пробной волн, а возмущенная диэлектрическая проницаемость ( £ ) определяется суммой •

(5^ для регулярной ионосферы и нелинейного члена, определяемого произведением коэффициента нелинейности ( «с ) и квадрата модуля амплитуды мощной волны /£„/*. Таким образом, нелинейная задача сводится к линейной. Это представляется возможным для случая, когда частоты мощного и пробного сигналов близки и имеют место только фазовые искажения и самовоздействием мощной волны можно пренебречь. Далее, в 5.2 для условий, приближенных к эксперименту, проводится численное решение задачи о нелинейном взаимодействии радиоволн разной мощности при наклонном распространении. Решение задачи согласно предложенной процедуре проводится в три этапа:

- построение лучевой структуры поля для мощной и пробной волн в приближении ГО от точки излучения до точгл приема, включая огибающую лучей в точке поворота (каустику);

- решение задачи о поведении полей в области существенной дифракции (каустики) по методу ПУ;

- наконец, извлекая поведение волновой амплитуды в окрестности каустики, полученное из ПУ, решается задача о поведении поля пробной волны в точке приема на Земле по методу ГО.

Проведенное численное решение данной задачи показало, что' мощная волна, распространяясь через область 72 ионосферы, в области сильной дифракции (в окрестности каустики) изменяет параметры среды. Эти изменения, в свою очередь, сильно сказываются на амплитудные искажения слабой волны близкой частоты, излученной из того же пункта, что и мощная. Эффект воздействия при

$„< убывает с увеличением разноса частот, что объясняется различием их путей распространения. В результате в поле мощной волны имеет место расслоение плазмы (тем сильнее, чем ближе к каустике). Пробная волна, следуя практически по пути мощной (в силу специфики эксперимента), распространяется в возмущенной среде, эффект влияния которой на фазовые и амплитудные искажения пробной волны и был зарегистрирован в эксперименте.

Сопоставление численных расчетов с результатами эксперимента позволило обнаружить, что коэффициент нелинейности в экспери-

менте оказался болы,1:} стршсциош.ого и меньше теплового. Записана эмпирическая формула для возмущенной диэлектрической проницаемости в области верхней ионосферы, обусловленной воздействием на ионосферу мощным наклонным радиоизлучением.

Численное моделирование диэлектрической проницаемости сре-•да, проведенное в 5.4 в условиях воздействия на ионосферу мощного наклонного радиоиалучения за счет тепловой нелинейности, показало, что в окрес-июсти точки отражения поле мощной волны с большой точностью описывается функцией Эйри. Однако, также показано, что мелкомасштабная структура £ , формируемая полем мэщ-ной волны, размызастоя за счет теплопроводности и возмущенная £ принимает вид вытянутой и локализованной в области отражения мощной волны неоднородности с некоторым характерным поперечным масштабом. Такая крупномасштабная неоднородность (согласно эксперименту продольный масштаб такого страта вблизи каустики ~ 10*км, поперечный масштаб ~ единиц км ), обладая рефракционными свойствами, может выполнять роль длиннофокусной рассеивающей на больших расстояниях линзы, приводящей к ослаблению амплитуды пробного сигнала в точке приема, что качественно подтверждает результаты анализа численных расчетов уменьшения амплитуды пробного сигнала, проведенных в 5.2 и 5.3, и экспериментов 4.3 и 4.4.

В конце каждого из пяти разделов сформулированы полученные в них основные результаты и выводы.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы работы:

I. Впервые использованное для диагностики искусственных возмущений в .ионосфере наклонное зондирование на фиксированных частотах позволило обнаружить вариации амплитуды (до~30$), азимутального (до~0,3+0,6°) и вертикального (до~1+2°) углов прихода пробных сигналов с характерными временами (~ минут) изменения исследуемых параметров, а также увеличение максимально-применимой частоты (до ~10*20$) в условиях вертикального воздействия мощного радиоизлучения.

предложен механизм, объясняющий впервые обнаруженные изменения траектсрных и энергетических характеристик радиоволн, а также изменение МПЧ, а именно: рефракция радиоволн на искусственно возмущенной области ионосферы - крупномасштабной (линзовой) неоднородности. Сформулированы необходимые црпзна::н"*\';щзо-

вой" модели ИБО. Показано, что для оперативных оценок обнаруженных эффектов допустимо использование гауссового распределения электронной плотности внутри ИБО.

2. В экспериментах ракурсного и обратного рассеяния в условиях вертикального воздействия мощного радиоизлучения на ионосферу обнаружены:

- устойчивое увеличение (до~8С$ случаев) уровня поля в пункте приема, обусловленное эффектом ракурсного рассеяния на искусственных неоднородностях ионосферы;

-распределение интенсивности флуктуаций плотности электронов по возмущенному объему не соответствует общепринятой гауссовой зависимости и пе совпадает с распределением плотности энергии в пределах диаграммы направленности нагревного стенда. Максимум интенсивности флуктуаций электронной концентрации смещен к югу на~Е?;

- обратно рассеянные от искусственных неоднородностей сигналы на частотах вблизи МПЧ Т2, имеющие сложную дистанционно-частотную характеристику в виде двух-трех треков. Предложена новая методика экспериментального определения ШЧ на основе обнаруженных свойств этих сигналов.

Обнаруженные в экспериментах эффекты объяснены мелкомасштабной структурой искусственно возмущенной области ионосферы. Предложен один из возможных механизмов - отражение импульсного сигнала от периодических возмущений диэлектрической проницаемос-' ти, объясняющий обнаруженную в экспериментах сложную структуру сигналов обратного рассеяния II использующий результаты проведенного численного решения трехмерной задачи моделирования динамики возмущений электронной плотности в ионосфере,' создаваемых источником теплового нагрева. Оценены масштабы неоднородностей, формирующих СОРы. Показано, что интенсивность искусственной турбулентности в ИЗО увежгчивается в области квазппродольного распространения мощной волны, чем, главным образом, и объясняется зарегистрированное в эксперименте смещение области интенсивной генерации мелкомасштабных неоднородностей от направления в зенит.

3. На основе проведенных исследований распространения дека-метрошх волн через область ионосферы, искусственно возмущенную вертикальным мощным радиоизлучением, сформулирована концепция двуединого (структурная линза-линза с наполнением мелксмасштаб-

'ными неоднородности'^) модельного описания искусственно возмущенной области ионосферы. Такое модельное представление ИБО, основанное на описании физики явления вертикального воздействия мощного радиоизлучения на ионосферу, позволило бы максимально адекватно с единых позиций описывать эффекты рассеяния и распространения радиоволн через это искусственное образование з ионосфере о целью управления каналом распространения.

4. Физически обоснована постановка экспериментальных исследований для целей управления ионосферным каналом распространения мощным наклонным радиоизлучением.

Обнаружены новые проявления нелинейного взаимодействия двух радиоволн близких к ШН частот разной мощности при наклонном распространении через область Р ионосферы:

- изменение уровня амплитуды (в отдельных случаях примерно в 2 раза), азимутального (на ~ 0,15-^0,20°) и вертикального (на"1+3°) углов прихода пробной волны, увеличение дисперсии значений этих параметров в период работы мощного передатчика, при характерных временах динамики обнаруженных эффектов;

- появление дополнительных модов в спектре, мощного сигнала,смещенных на~0,7-1 Гц от основного мода, при изменении его мощности;

- четко вырикенные максимумы с характерными периодели (~ 30 и

~10+15 мин) в спектрах мощности пробного сигнала при ^ ШЧ.при отсутствии их для что характеризует эффективность воз-

действия мощного радиоизлучения на ионосферу;

- квазипериодические вариации характерных масштабов уровня пробного сигнала, присущих и мощному сигналу.

' 5. По ионограшам НЗ в экспериментах с использованием научно-исследовательских судов в период воздействия на ионосферу модного радиоизлучения обнаружены:

- исчезновение отражений от слоев Н и Е, ;

- появление диффузных отражений от слоя Р2 и квазипериодических вари гщ-.й 1.Ш Р2 и ПНЧ Р2;

- уиирение (до~6 Гц) спектров сигналов при выявленной связи между шириной спектра и эффективной мощностью мощного передатчика; -'квазипериодические 30 сек) изменения доплеровского смещения частоты " амплитудой + 7 Гц й спектрах пробных сигналов.

По ислюграчмзм ВЗ в-период воздействия ни ионосферу мощного

наклонного радиоизлучения выделаны серпообразные дополнительные следы отражений от области И и ПИВы, которые меняют направление своего перемещения на противоположное и двинутся вверх со ско -ростью ~142 м/с. Такие возмущения, наблюдавшиеся главным образом • при выполнении условия отражения мощной волны, свидетельствуют о расслоении ионосферной плазмы и могут приводить к увеличению МПЧ трассы.

6. В экспериментах на наклонных трассах Евро-Азиатского региона обнаружены:

- эффект самовоздействия мощных радиоволн КВ диапазона на наклонных трассах, заключающийся в том, что увеличение эффективной мощности излучения, начиная о некоторого порогового ее значения, не приводит к линейному росту напряженности поля этого сигнала на приемном конце трассы. Оценена напряженность поля в вершине скачка, при которой проявляются нелинейные свойства ионосферной плазмы;

- существование Люксембург-Горькояского эффекта (перенос модуляции мощного сигнала на пробный) в КВ диапазоне. Для условий проведенных экспериментов сделана оценка диапазона частот, в котором обнаруживался этот эффект. Показало, что с увеличением эффективной мощности мощного передатчйка этот диапазон частот расширяет)

ся.

7. Сформулирован и численно реализован комплексный подход

к решению задачи взаимодействия мощного и пробного сигналов близких частот, излученных з одном направления, на основе использования методов параболического уравнения для расчета волнового поля в области сильной дифракции и геометрической оптики на участках траектории волны от поверхности Земли до области отражения и обратно. На этой основе предложено качественное объяснение изменения амплитуды пробных сигналов и установлено, что коэффициент нелинейности в период проведения эксперимента был меньше теплового и больше стрикционного.

Показано путем численного моделирования диэлектрической проницаемости за счет тепловой нелинейности, что возмущенная область в окрестности точки отражения мощной волны может пршпи.'Лть фор:,:у крупномасштабной неоднородности и выполнять роль длиннофокусной рассеивающей на больших расстояниях линзы.

8. Проведенные исследования радиофизического проявления уп-»

равняемого аатропота-гого воздействия на ионосферу мощным наземным радиоизлучением и полученные результаты позволяют по-новому ставить и решать задачу повышения надежности и качества передачи информации на различные расстояния посредством формирования управляемых каналов распространения. В настоящее время эта задача на практике решается наращиванием мощности излучающих радиосис -тем, что, как показало, может приводить при уже достигнутых мощностях к противоположному эффекту.

Результаты диссертации позволяют по-новому ставить задачу адаптации радиотехнических систем нового поколения к условиям их использования » стратегии развития средств связи, могут оказаться ваянымидля познания атмосферно-ионосферных связей в условиях усиливающегося антропогенного (мощным наземным радиоизлучением) воздействия на околоземную а.тмосферу-ионосферу,а также с точки зрения проблем экологии Земли и ее окружающего пространства.

Перечень работ, в которых опубликованы основные научние результаты

1. Бочкарёв Г.С., Букин Г.В., Гетманцев. Г.Г., Митяков H.A. Д1ро-тащик A.A., Рапопорт В.О., Скребкова Л.А. Влияние кскуссгвен-

. ных ионосферных возмущений на распространение радиосигналов КВ диапазона //Изв.ВУЗов. Радиофизика. - 1977.-20. Je I.C.I58-160.

2. Баранов В.А., Бочкарёв Г.С., Егоров И.Б., Ким В.Ю., Иолов A.B., ■ Черкашн Ю.Н. Механизмы захвата электромагнитной энергии в

ионосферные волноводы и их описание в рамках геометрической оптика,/Д1 Всесоюз.конф.по распространению радиоволн: Тез. докл. Ч. 1У.-Ii., Наука, 1975. С.83-86.

3. Бочкарёв Г.С., Митяков H.A., Черкашин Ю.Н., Чугунов Ю.В. К вопросу о модели искусственных ионосферных возмущений //Дифракционные аффекты декаыетровах радиоволн в ионосфере. - Ы.: Наука, 1977. С.107-122.

•«. Б^ткарёв Т.С., Гусева З.Г., Еременко В.А., Черкашин Ю.Н.

Влияние вытянутых неоднородностей на удержание волнового пучка в окрестности максимума слоя электронной концентрации //Распространение радиоволн в ионосфере.-¡л.:АН СССР, КЗМИРАН, 1573. '1.10-14.

5. Гочкарсз Г.С. О нелинейном взаимодействии де;:а'.:отрових радио-

волн близких частот при наклонном распространении //Геомагнетизм и аэрономия.-1979.-19. 4. С.737-739.

6. Бочкарёв Г.С., Ким В.Ю., Лобачевский Л.А., Лянной Б.Е., Ми-гулин В.В., Сергеенко О.С., Черкашин Ю.Н. Взаимодействие де-каметровых радиоволн на частотах, близких к 1.Ж Г2, при наклонном распространении //Геомагнетизм и аэрономия.-1979. -19. № 5. С.830-833.

7. Бочкарёв Г.С., Егоров И.Б., Еременко В.А., Калинин Ю.К..Лянной Б.Е., Черкашин Ю.Н. Моделирование воздействия мощной волны на ионосферу при наклонном падении //Геомагнетизм и аэрономия. - 1980. -20. № 5. С.848-853.

8. Бочкарёв Г.С., Лянной Б.Е., Черкашин Ю.Н. Экспериментальные исследования некоторых особенностей распространения декамет-ровых радиоволн //Препринт № 34(300). -М.: АН СССР, ИЗМИРАН. 1980. 30 с.

9. Баранов В.А., Бочкарёв Г.С. Оценка влияния области ИИВ на вариации азимутального угла прихода //Распространение декамет-ровых радиоволн. - М.: Ali СССР, ИЗМИРАН. 1980. С.68-76.

Ю. Бочкарёв Г.С., Пахотин В.А., Рудыка Л.В. Распространите KB сигналов через искусственно возмущенную область ионосферы //Дифракционные эффекты коротких радиоволн. - Ы.: АН СССР, ИЗШРАН. 1981. С.38-44.

11. Bochkarev G.S., Егеьепко V.A., Lobachevaky L.A., L;jannoy B.E., bigulin V.V.jCherkashin Yu.N. Konlinear Interaction of Decameter Badio Wavee at Close Frequencies on Oblique Propagation //Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. - 1982. -44. N 12. p.1137-1141.

12. Бочкарёв Г.С., Еременко В.А..Лобачевский Л.А. и др. Нелкней-• ное взаимодействие радиоволн при наклонном распространении

//Эффекты искусствещюго воздействия мощным радиоизлучением на ионосферу Земли : Тез.докл.Всесоюз.сиып. - М., Наука,1983. С.23-27.

13. Бочкарёв Г.С., Игнатьев Ю.А. Результаты исследований искусственной крупномасштабной неоднородности и влияния ее на характеристики KB сигналов // Зффекты искусственного воздействия мощным радиоизлучением на ионосферу Земли: Тез.докл.Все-союз. симп. Суздаль. 1983, - М., Наука, 1983. С.37-40.

14. Бочкарёв Г.С., Еременко В.А., Черкашин Ю.Н. О тепловом меха-

низме нелинейного взаимодействия радиоволн //Распространение радиоволн в ионосфере.-М.:АН СССР, ИЗШРАН, 1963. С.38-43.

15. Черкашин Ю.Н., Бочкарёв Г.С., Еременко В.А. и др. Применение численных алгоритмов метода параболического уравнения в задачах распространения декаметровых радиоволн //Тезисы докладов Х1У Всесоюз.конф. по распространению радиоволн, 4.1.-М., Наука, 1984. С.338-340.

16. Бочкарёв Г.С. О взаимодействии мощных радиоволн с ионосферой . при наклонном падении //Дифракционные эффекты коротких ра -

диоволн.-М. : АН СССР, ИЗШРАН, 1984. С.72-82.'

17. Бахметьева Н.В., Бенедиктов Е.А., Бочкарёв Г.С. и др. Изменение дистанционно-частотных характеристик наклонного зондирования в условиях искусственного возмущения верхней ионо -сферы // Геомагнетизм и аэрономия.-1985.-25. !.'2. С.233-238.

, '18. Лобачевский Л.А., Бочкарёв Г.С., Лукишова С.Г. Об эффектах

искусственного воздействия мощного радиоизлучения на ионосферу Земли // Радиотехника и электроника.-1985.-30. №12.С.2463-2465.

19. Бочкарёв Г.С., Еременко В.А., Черкашин Ю.Н. Моделирование отражения радиоволн от малых возмущений'диэлектрической проницаемости // Распространение радиоволн в ионосфере.-М.: АН СССР, ИЗЖРАН, 1985. С.5-8.

20. Борисов Б.Б., Бочкарёв Г.С., Булато'ва H.H. и др. Характеристики сигналов 113 при наличии мощного наклонного радиоизлучения //ilodificatioa of the Ionosphere Ъу Powerful Radio Waves, -li.s AM USSR, IZWUUH, 1966. p.60-82.

21. Бочкарёв Г.С., Лобачевский Л.А., Мигулин В.В., Черкашин Ю.Н. Влияние ионосферы, модифицированной мощным радиоизлучением, на некоторые характеристики KB сигналов //modification of the Ionosphere Ъу Powerful Radio Waves.-ii.» AH USSR, IZJíIRAU, 1986. p.23-28.

22. Баранец A.H., Благовещенская Н.Ф., Борисова Т.Д., Бородкин В.Н., Бочкарёв Г.С., Бубнов В.А., Черкашин Ю.Н. Одно из возможных представлений КЗ полей в рамках траекторно-статпсти-

. ческого подхода //Цифровые ионозонды и их применение.-.'.!. : АН СССР, ИЗБИРАЛ, 1986. C.I5I-I56.

23. Еогута U.M., Бочкарёв Г.С., Максиг.инко О.П. и др. Исследование ракурсного КЗ рассеяния на искусственных uouoc f ерш ос не-

однородности // Распространение радиоволн в ионосфере.-М.: AJI СССР, ИЗМИРАН, 1986. С.94-99.

24. Бочкарёв Г.С., Еременко В.Л., Игнатьев Ю.А. и др. Моделирование сигналов обратного рассеяния от искусственно возмущенной области верхней ионосферы //Изв.ВУЗов. Радиофизика.-1987. -30. Я 4. С.482-486.

25. Бочкарёв Г.С., Кольцов В.В., Крашенинников И.В., Лянной Б.Е. Вариации траектории характеристик сигналов ИЗ в условиях искусственно возмущенной ионосферы //Изв.ВУЗов. Радиофизика. - 1987.-30. JS 6. С.697-702.

26. Бочкарёв Г.С., Лянной Б.Е. Результаты исследований некоторых характеристик сигналов ИЗ в регулярной и искусственно возмущенной ионосфере (заказной доклад) /ДУ Всесоюз.конф. по распространению радиоволн:Тез.докл. -Ы..Наука, 1987. С.122-123.

27. Бочкарёв Г.С., Егоров И.Б., Егорова В.Н., Насыров A.M., Яг-нов H.H. Флуктуации плотности в ишсусственно возмущенной области ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия.-1988.-28. й 2. С.238-241.

28. Борисов Б.Б., Бочкарёв Г.С., Булатова H.H., Гордиенко О.Ю.

и др. Экспериментальные исследования влияния мощного наклонного радиоизлучения на спектрально-частотные «характеристики сигналов наклонного зондирования //Препринт №1(755).-М.: АН СССР, ИЗ;,П£РАН. 1988. 24 с.

29. Bochkarev G.S., Егекгако V.A., Cherkashin ïu.K. Radio Wave Kefiecticn fron Quaziperiodic Disturbances of the Ionospheric Piasn;a//Advanee Space Ee3eorch.-1988.-8. N 1. p(1)255~ (1)260.

30. Bochkarev G.S., Lobachevsky L.A., Cherkashin Xu.N. Powerful Oblique Eadio Enission Influence on the Ionosphere //Second Suzdal URSI Sycposiua on Ionospheric Modification by Powerful Kadio Waves.-Tronsf!y Norway, 1988. p.4-?-43.

31. Бочкарёв Г.С., Булатова H.H., Жильцов А.У. к др. К вопросу о нелинейных свойствах ионосферы в практике коротковолнового вещания //Ионосферное распространение радиоволн ,-М.:АН СССР, Иа'.'ЛРАН, 1989.. С.55-63.

32. Бочкарёв Г.С., Урядов В.F., Эрм F.Э. Методика расчета геометрии ракурсного рассеяния радиоволн на магнитоориентиро-

' ванных ионосферных неоднородностях //Распространение радио-

волн в ионосфере.-М.: АН СССР, ИЗМИРАН, 1989. С.43-46.

33. Бочкарёв Г.С., Булатова Н.Н., Гордиенко О.Ю. и др. Экспериментальные исследования самовоздействия радиоволн KB диапазона //Тезисы докладов Всесоюзного семинара "Распространение радиоволн в ионосфере".-М, Радио и связь, 1989. С.49-50.

34. Бочкарёв Г.С., Гордиенко О.Ю., Жильцов А.У. и др. Нелинейное взаимодействие сигналов НЗ разной мощности //Тезисы докладов Всесоюзного св/'юзиума "Ионосфера и взаимодействие декамет-ровых радиоволн с ионосферной плазмой". 4.2.-1,1, Наука, 1989. 0.64.

35. Бочкарёв Г.С. Нелинейные эффекты при наклонном падении мощных декаметровых волн на ионосферу (заказной обзорный доклад) //Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума "Ионосфера и взаимодействие декаметровых радиоволн с ионосферной плазмой". 4.1.-Ы, Наука, 1989. С.46-4?.

36. Bochkarev G.S. Effect of a High Power Oblique Badio Emission on the Characteristics of Signals at Nearly irequenciea. Documents 6/201-E CCIB.-Geneva, 1989. 5 p.

37. Борисов Б.Б., Бочкарёв Г.С., Булатова Н.Н. и др. Спектрально-частотные характеристики мощного и пробного сигналов НЗ на близких частотах //Геомагнетизм и аэрономия. - 1989.-!'-€.

' С.981-986.

38. Blagoveschenskaya К.Р., Bochkarev &.Л., Bulatova N.U. et.al. Powerful Oblique Eadio Emission Influence on the Ionosphere According to the Oblique Sounding Data //yyttt General Assembly of the International Union of Radio Science (UR3I).-Prague, Chechoslovakia, 1990, vol.1,p.172.

39. Борисов Б.Б.,' Бочкарёв Г.С., Жильцов А.У. и др. Самовоздействие мощных КВ-радиоволн при наклонном распространеник/ДУ1 Всесоюз.конф. по распространению радиоволн. 4.1. Тез.докл. -Харьков, ХПИ, 1990. С.159.

40. Blauaetein H.Sh., Bochkarev G.S., Cherkashin Yu.U. Pormation of a Stratified Structure in Ionosphere Plasma at Thermal .leating and it's Experimental Investigations //Proceedings of the III Suzdal UBSI Symposium on itodification of tue Ionosphere by Powerful Badio Waves (IEIL-3). - k, IZURAtf, 1991- p.95-94.

-¡I.BochJrarev G.S. Effect-3 of Pov;erful Oblique Radiation Iaflu-

- JJ -

ence on the Ionosphere According to Single-Hop Path beasureA-ments (invited paper)//Eroceedings of the III.Suzdal UHSI Synpoaium on kodification of the Ionosphere Ъу Powerful Eadio Waves (1SIK~3)—to, IZbJHAS, 1991. p.32-36.

42. Bocbkarev G.8. Self-Influence of Powerful Eadio Waves on Oblique Paths. Document WP6D/5-E CCIH.-Geneva, 1991. 5 p.

43. Бочкарёв Г.С., Кольцов В.В., Игнатьев Ю.А., Шавин П.Б. Авторское свидетельство № I7II644 от 8.I0.I99I г. Приоритет от 12.07.1988 г.

44. Благовещенская Н.Ф., Бочкарёв Г.С., Булатова Н.Н. и др. Изменения амплитуды пробных сигналов и'ионограмм НЗ при воздействии на ионосферу мощного наклонного радиоизлучения//Гео-магнетизм и аэрономия. - 1992.-32. Ш I. С.175-178.

45. Бочкарёв Г.С., Жильцов А.У., кванов В.П., Карвецкий B.JI.,Чер-кашин Ю.Н., Чернов Ю.А. Проявление наклонного радионагрева

в данных вертикального зондирования ионосферы //Геомагнетизм и аэрономия. - 1992. -32. й 2. C.I7I-I73.

46. Блаунштейн Н.Ш., Бочкарёв Г.С. Моделирование динамики периодических искусственных возмущений в верхней ионосфере при тепловом нагреве //Геомагнетизм и аэрономия. - 1993. -33.

№ 2. С. 159-16 5 .