Способ определения высотного профиля электронной концентрации в е-области ионосферы земли

Авторы патента:

Изобретение относится к области геофизики, касается способа определения высотного профиля электронной концентрации в Е-области ионосферы Земли, предназначенного для дистанционного определения электронной концентрации в интервале высот 90-130 км. Способ включает формирование искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы двух различных пространственных масштабов путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением попеременно критической частоты E-слоя и ниже критической частоты F2-слоя на двух частотах выше, излучение в ионосферу зондирующих импульсов по окончании возмущающего воздействия попеременно на тех же частотах и с той же поляризацией, прием сигналов, обратно рассеянных искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы с двумя разными пространственными масштабами, измерение амплитуды и времени релаксации обратно рассеянных сигналов на каждой из излучаемых частот ƒ₁ и ƒ₂, определение высотной зависимости времени релаксации сигнала, обратно рассеянного сформированными возмущающим радиоизлучением периодическими неоднородностями плазмы на исследуемых высотах h, для чего по уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала на каждой высоте определяют время релаксации неоднородностей τ₁(h), сформированных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₁, и время релаксации неоднородностей τ₂(h), сформированных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₂, и релаксация которых в нижней ионосфере определяется амбиполярной диффузией, определяют отношение времен релаксации и по формуле с учетом выражения , включающего частоты f₁, f₂ и продольную гирочастоту электронов f_L, определяют значение электронной концентрации N на заданной высоте h и высотный профиль N(h). Техническим результатом является улучшение высотно-временного разрешения и повышение точности определения электронной концентрации в интервале высот 90-130 км. 2 ил.

Существует ряд способов измерения электронной концентрации в ионосфере Земли. Одним из первых являлся способ определения высотного профиля электронной концентрации методом вертикального зондирования ионосферы с помощью ионозонда на основе восстановления профиля по измеряемой (получаемой) ионозондом ионограмме вертикального зондирования, которая представляет собой высотно-частотную характеристику (Альперт Я.Л., Фейнберг Е.Л., Гинзбург В.Л. Распространение радиоволн. – М.: Гостехиздат, 1953, 883 с.; Руководство УРСИ по интерпретации и обработке ионограмм – М.: Наука, 1977, 342 с.; Akchyurin A.D., Minullin R.G., Nazarenko V.I., Sherstyukov O.N., Sapaev A.L., Zykov E.Yu. The Ionospheric Complex «Cyclon» // Ionosonde networks and stations. Proc. of Session G6 at the XXIV General Assembly of the International Union of Radio Science (URSI). Kyoto, Japan: National Geophysical Data Center. 1995. P. 35–36.). С последующим развитием техники были созданы новые устройства и разработаны новые способы измерений электронной концентрации, среди которых измерения с помощью инструментов, размещаемых на ракетах, использование радаров некогерентного рассеяния, метод частичных отражений, прием сигналов спутниковых навигационных систем, радиотомография и др. (Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.).

Метод вертикального зондирования ионосферы получил новое развитие с появлением цифровых ионозондов (дигизондов). Наиболее распространенным по всему миру является дигизонд DPS-4, обладающий малой мощностью передатчика и высоким соотношением сигнал/шум в результате применения специальных методов обработки (Galkin I.A., Reinisch B.W., Bilitza D. Realistic Ionosphere: real-time ionosonde service for ISWI // Sun and Geosphere. 2018. 13/2: 173–178, ISSN 2367-8852; Reinisch B.W., Galkin I.A., Khmyrov G.M. et al. Advancing digisonde technology: the DPS-4D, in Radio Sounding and Plasma Physics // 2008. AIP Conf. Proc. 974, 127–143; doi:10.1063/1.2885023. Разработан отечественный ионозонд с учащенным режимом снятия ионограмм и автоматической оцифровкой (Зыков Е.Ю., Шерстюков О.Н., Акчурин А.Д. Исследовательский ионозонд "Циклон" Казанского университета и программное обеспечение автоматической обработки ионограмм // Гелиогеофизическик исследования. 2013. № 4. С. 39–46.)

Известен способ радиозондирования ионосферы спиральными электромагнитными волнами RU 2 662 014 C1 (Данилкин Н.П., Журавлев С.В., Котонаева Н.Г., Лапшин В.Б.), который является развитием метода наземного вертикального радиозондирования ионосферы с использованием ионозондов. Восстановление профиля электронной концентрации осуществляется на основе обработки ионограмм. Обработка состоит из выделения треков и построение высотно-частотной характеристики Е-, F1- и F2-слоёв ионосферы с последующим восстановлением профиля электронной концентрации. Технический результат достигается использованием для вертикального радиозондирования современных методов изменения волнового фронта зондирующих ионосферу радиоволн, обладающих различными орбитальными угловыми моментами импульса. Изобретение предполагалось использовать для создания ионозонда нового типа.

Общим недостатком метода вертикального зондирования в разных реализациях является невозможность измерения электронной концентрации в «долине» между E- и F-слоями ионосферы, то есть в интервале высот, который характеризуется уменьшением электронной концентрации с высотой, а также ниже 90 км, что обусловлено порогом чувствительности ионозонда.

Известен способ измерения электронной концентрации методом частичных отражений на основе рассеяния радиоволн на естественных ионосферных неоднородностях на высотах 60–90 км D-области ионосферы (Belrose J.S., Burke M.J. Study of the lower ionosphere using partial reflection. I. Experimental technique and methods of analysis // J. Geophys. Res. 1964. V. 69, N 13. Р. 2799–2818; Беликович В.В., Вяхирев В.Д., Калинина Е.Е. Исследование ионосферы методом частичных отражений // Геомагнетизм и аэрономия. 2004. Т. 44. № 2. С. 189–194). Недостатком способа является ограниченность измерений по высоте.

Целый ряд способов измерения высотного содержания электронной концентрации основан на приеме сигналов спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS.

Известен способ определения высотного профиля электронной концентрации неоднородной ионосферы с использованием двухчастотного приемника спутниковых навигационных систем RU 2 626 404 C1 (Пашинцев В.П., Смирнов В.М., Чипига А.Ф. и др.). Техническим результатом данного способа является обеспечение возможности одновременного определения высотных профилей средней электронной концентрации и среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородной ионосфере по принятым радиосигналам от навигационных спутников на двух когерентных частотах. Определяется полное электронное содержание в неоднородной ионосфере, вычисляется его среднее значение и определяется высотный профиль средней электронной концентрации ионосферы путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи. Недостатком является необходимость использовании для расчета электронной концентрации априорной информации о фоновом состоянии ионосферы, которое само является предметом исследования.

Известен способ определения параметров ионосферы и устройство для его осуществления RU 2 421 753 C1 (Смирнов В. М., Тынянкин С. И.), основанный на приеме радиосигналов от навигационных спутников на двух когерентных частотах. Определяют полную электронную концентрацию (полное электронное содержание) вдоль трассы «спутник - наземный пункт».. Применяют итерационную процедуру решения обратной задачи, основанную на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы для определения в области измерения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(h). Техническим результатом является повышение точности и обеспечение возможности автоматизации процесса определения параметров ионосферы. Недостатком данного являются его ограничения при определении высотного профиля электронной концентрации N(h) в условиях возмущений ионосферы, сопровождаемых образованием мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ΔN(hs).

Известен способ пассивного определения параметров ионосферы RU 2 604 696 C2 (Сидоренко К.А., Васенина А.А.) на основе двухчастотного приема спутниковых сигналов ГЛОНАСС/GPS. От других способов измерений электронной концентрации с помощью сигналов навигационных спутниковых систем способ отличается тем, что используя значения полного электронного содержания (ПЭС), полученные с использованием данных ГЛОНАСС/GPS, и значения ПЭС, полученные с использованием выбранной модели ионосферы, формируют корреляционные матрицы данных ПЭС и составляют функционал. Минимизируя данный функционал, определяют скорректированное значение ПЭС. Используя полученное значение и выбранную модель ионосферы, формируют распределение электронной концентрации в требуемой области высот. Техническим результатом способа является расширение области действия и повышение быстродействия определения параметров ионосферы при приеме электромагнитных сигналов от нескольких спутников в условиях априорной неопределенности относительно шумов и помех. Недостатком указанного способа является проведение расчетов электронной концентрации с использованием выбранной заранее модели ионосферы, что снижает точность результата определения высотного профиля электронной концентрации.

Известен способ определения электронной концентрации в заданной области ионосферы и устройство для его осуществления RU 2 018 872 С1 (Рогожкин Е.В.,Таран В.И., Гетман В.П. и др.) методом некогерентного рассеяния радиоволн с использованием эффекта Фарадея. Способ осуществляется с помощью радара некогерентного рассеяния и основан на том, что распространяющаяся вертикально в ионосфере плоская волна под действием геомагнитного поля испытывает вращение плоскости поляризации, которое вызывает изменение уровня сигнала при приеме его на плоскополяризованную антенну. Для вычисления электронной концентрации используются координаты, соответствующие высотам экстремальных точек уровня мощности принимаемого сигнала, в которых происходит поворот плоскости поляризации на угол, кратный 90 градусам. Недостатком способа является разрешение не более 16 км на высотах ионосферы, превышающих 100 км.

Метод некогерентного рассеяния, использующий соответствующие радары, представляет собой один из наиболее информативных наземных методов исследования ионосферы. В радарах некогерентного рассеяния применяются частоты, значительно превышающие собственные частоты ионосферы. Распространение метода ограничено вследствие чрезвычайной сложности используемых технических средств, стоимость проведения экспериментов сопоставима с ракетными и спутниковыми экспериментами. В мире существует всего 9 установок этот типа. Значительным недостатком метода некогерентного рассеяния является невысокое разрешение по высоте, которое составляет, как правило, 50–70 км. Кроме того, организация и проведение исследований требуют больших финансовых затрат.

Наиболее близким по технической сути к заявленному изобретению является способ определения высотного профиля электронной концентрации в нижней ионосфере SU 1 531 674 С (Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Гончаров Н.П.), основанный на создании в ионосфере искусственной периодической структуры электронной концентрации путем формирования в ионосфере возмущающей стоячей волны, образованной путем интерференции излученной в ионосферу и отраженной от нее радиоволны одной поляризации, излучении зондирующего импульса с другой поляризацией, измерении фазы радиоимпульса, обратно рассеянного искусственной периодической структурой, далее по зависимости производной фазы от высоты рассчитывают электронную концентрацию. Техническим результатом является повышение точности измерения электронной концентрации. Недостатком способа является неучет отличий в показателях преломления радиоволн разной поляризации, формирующих возмущение и зондирующих периодическую структуру. Вследствие этого способ применяется только для высот ниже 90 км.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание нового способа определения высотного профиля электронной концентрации в Е-области ионосферы Земли.

Техническим результатом от использования изобретения является улучшение высотно-временного разрешения и повышение точности определения электронной концентрации в интервале высот 90–130 км.

Поставленная задача достигается тем, что способ определения высотного профиля электронной концентрации в Е-области ионосферы Земли, включает формирование искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы двух различных пространственных масштабов путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением выше критической частоты E-слоя и ниже критической частоты F2-слоя попеременно на двух частотах, излучение в ионосферу зондирующих радиоимпульсов по окончании возмущающего воздействия попеременно на тех же частотах и с той же поляризацией, что и возмущающее радиоизлучение, прием сигналов, обратно рассеянных искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, сформированными возмущающим радиоизлучением, измерение амплитуды и определение времени релаксации обратно рассеянных сигналов на каждой из излучаемых частот, определение высотной зависимости времени релаксации сигнала, обратно рассеянного сформированными возмущающим радиоизлучением периодическими неоднородностями на исследуемых высотах h, для чего по уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала на каждой высоте определяют время релаксации неоднородностей τ₁(h), сформированных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₁, и время релаксации неоднородностей τ₂(h), сформированных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₂, определяют отношение времен релаксации и по формуле с учетом выражения , включающего частоты f₁, f₂ и продольную гирочастоту электронов f_L, определяют значение электронной концентрации N на заданной высоте h и высотный профиль N(h).

Время релаксации неоднородностей τ на каждой высоте h определяют по уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в е раз, где число е – это основание натурального логарифма или число Эйлера, являющееся математической константой (Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. – М.: Государственное издательство физико- математической литературы. 1962, с. 92; Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и таблицами. – М.: Наука, 1979, с. 13).

Время релаксации неоднородностей τ(h) на данной высоте h в отсутствие спорадических слоев ионизации и атмосферной турбулентности обусловлено амбиполярной диффузией с характерным диффузионным временем релаксации τ, которое зависит от частоты возмущающей радиоволны и электронной концентрации (Беликович В. В., Бенедиктов Е. А., Толмачева А. В., Бахметьева Н. В. Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей. – Нижний Новгород. ИПФ РАН. 1999. 155 с.). Измерение времени релаксации обратно рассеянного сигнала при создании искусственных периодических неоднородностей на двух частотах возмущающего радиоизлучения позволяет определить электронную концентрацию с высокой точностью по отношению времен релаксации обратно рассеянного сигнала на этих частотах при дистанционном зондировании с поверхности земли области ионосферы, созданной возмущающим радиоизлучением. При этом никаких дополнительных данных, кроме зависимости от высоты гирочастоты электронов, не требуется, что отличает заявленный способ от прототипа SU 1 531 674 С и рассмотренных способов измерения электронной концентрации.

Способ определения высотного профиля электронной концентрации может быть реализован с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг. 1. Устройство, реализующее способ, содержит задающий генератор 1 для формирования непрерывного синусоидального сигнала на частоте ƒ₁, задающий генератор 2 для формирования непрерывного синусоидального сигнала на частоте ƒ₂, передатчик 3 с антенной 4 для непрерывного излучения в зенит возмущающего ионосферу радиоизлучения с созданием искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы, передатчик 5 с антенной 6 для излучения в зенит радиоимпульсов, зондирующих искусственные периодические неоднородности, приемник 7 с антенной 8 для приема обратно рассеянных периодическими неоднородностями радиоимпульсов на частоте ƒ₁ приемник 9 с антенной 10 для приема обратно рассеянных периодическими неоднородностями радиоимпульсов на частоте ƒ₂, регистратор ПКР 11 с персональным компьютером для измерения амплитуды обратно рассеянных радиоимпульсов с приемников 7 и 9, а также для обработки и хранения измеренных значений амплитуды обратно рассеянных радиоимпульсов, по которым определяются время релаксации τ₁ на частоте ƒ₁ и время релаксации τ₂ на частоте ƒ₂, необходимые для определения электронной концентрации, синхронизатор ПКС 12 с персональным компьютером для обеспечения временных режимов работы передатчиков 3 и 5 и для управления регистратором ПКР 11.

Способ определения электронной концентрации осуществляется следующим образом. Воздействуют на ионосферу возмущающим радиоизлучением попеременно на частотах ƒ₁ и ƒ₂, значения которых выше критической частоты E-слоя и ниже критической частоты F2-слоя ионосферы, формируя тем самым в ионосфере искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы с разными пространственными масштабами, определяемыми частотами ƒ₁ и ƒ₂, от основания ионосферы до высоты максимума F2-слоя. Для этого с помощью задающего генератора 1 формируют в диапазоне частот Δf=ƒ₀F2–ƒ₀E (где ƒ₀E и ƒ₀F2 – критические частоты E-слоя и F2-слоя ионосферы, соответственно) непрерывный синусоидальный сигнал на частоте возмущающего радиоизлучения ƒ₁, а с помощью задающего генератора 2 – непрерывный синусоидальный сигнал на частоте возмущающего радиоизлучения ƒ₂, поступающие на передатчик 3.

С помощью управляемых синхронизатором ПКС 12 задающих генераторов 1 и 2 и передатчика 3 с антенной 4 излучают непрерывно в зенит возмущающее радиоизлучение (мощную радиоволну) попеременно на частотах ƒ₁ и ƒ₂. Это означает, что в первом цикле измерений передатчик 3 излучает мощную радиоволну (возмущающее радиоизлучение) частотой ƒ₁, в следующем цикле измерений – мощную радиоволну частотой ƒ₂, затем циклы повторяются. Поскольку частоты ƒ₁ и ƒ₂ возмущающего радиоизлучения ниже критической частоты ƒ₀F2 F2-слоя ионосферы, направленное в зенит возмущающее радиоизлучение частотой ƒ₁ или ƒ₂ отражается от ионосферы и формирует искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы.

После окончания воздействия на ионосферу возмущающего радиоизлучения, т.е. после прекращения работы передатчика 3, излучают в зенит на той же частоте ƒ₁ или ƒ₂ и с той же поляризацией, которую имело возмущающее радиоизлучение, последовательность зондирующих радиоимпульсов. В первом цикле измерений, когда возмущающее радиоизлучение воздействует на ионосферу (излучается) на частоте ƒ₁, зондирующие радиоимпульсы излучаются также на частоте ƒ₁. В следующем цикле измерений, когда возмущающее радиоизлучение воздействует на ионосферу (излучается) на частоте ƒ₂, зондирующие радиоимпульсы излучаются также на частоте ƒ₂. Для этого формируют с помощью синхронизатора ПКС 12 последовательность стробирующих импульсов для управления передатчиком 5. Передатчик 5 с антенной 6 в первом цикле измерений излучает в зенит на частоте ƒ₁ радиоимпульсы, сформированные с помощью задающего генератора 1 и синхронизатора ПКС 12. В следующем цикле измерений передатчик 5 с антенной 6 излучает в зенит на частоте ƒ₂ зондирующие радиоимпульсы, сформированные с помощью задающего генератора 2 и синхронизатора ПКС 12. В качестве передатчика 5 может быть использован передатчик 3, переводимый в импульсный режим излучения. Полный цикл измерений, включающий излучение возмущающего радиоизлучения и зондирующих радиоимпульсов на каждой из частот ƒ₁ и ƒ₂, продолжается 30 секунд – первые 15 секунд на частоте ƒ₁, следующие 15 секунд – на частоте ƒ₂, из них в течение 3 секунд излучается возмущающее ионосферу радиоизлучение, в течение следующих 12 секунд – зондирующие радиоимпульсы.

Принимают с помощью приемника 7 с антенной 8 зондирующие радиоимпульсы на частоте ƒ₁, а с помощью приемника 9 с антенной 10 –зондирующие радиоимпульсы на частоте ƒ₂, обратно рассеянные искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, сформированными возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₁ и на частоте ƒ₂, которые после выключения передатчика 3 существуют в ионосфере в зависимости от частоты возмущающего радиоизлучения и высоты рассеяния в ионосфере зондирующего радиоимпульса в течение времени от долей секунды до нескольких секунд, постепенно разрушаясь (релаксируя). Поскольку частота и поляризация зондирующего радиоимпульса совпадают с частотой и поляризацией возмущающего радиоизлучения, то каждый зондирующий радиоимпульс рассеивается во всем интервале высот от нижней границы ионосферы до высоты его отражения в F2-слое.

При равенстве частот и поляризаций возмущающего и зондирующего радиоизлучений рассеяние от периодических неоднородностей имеет резонансный характер, то есть зондирующие радиоимпульсы (сигналы) рассеиваются всеми неоднородностями синфазно, что увеличивает амплитуду обратно рассеянного сигнала по отношению к естественным помехам и, тем самым, повышает точность измерения электронной концентрации.

При приеме с помощью регистратора ПКР 11 измеряют высотную зависимость амплитуды сигнала А(h), обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями – амплитуды А₁(h) на частоте ƒ₁ и амплитуды A₂(h) на частоте ƒ₂. Для этого с помощью синхронизатора ПКС 12 формируют последовательность стробирующих импульсов для управления регистратором ПКР 11. С помощью регистратора ПКР 11 измеряют в моменты поступления стробирующего импульса амплитуду обратно рассеянного сигнала, соответствующего высоте h₁ на частоте ƒ₁ и высоте h₂ на частоте ƒ₂. Задержка стробирующего импульса относительно момента излучения зондирующего радиоимпульса определяется высотами рассеянного сигнала h₁ и h₂. Отметим, что эти высоты являются действующими (virtual) высотами. Далее с помощью программы пересчета действующих высот в истинные определяют времена релаксации на одной и той же истинной высоте и находят отношение времен релаксации θ=τ₁/τ₂ на этой высоте (Беликович В.В., Бахметьева Н.В., Калинина Е.Е., Толмачева А.В. Новый способ определения электронной концентрации в E-области ионосферы по временам релаксации искусственных периодических неоднородностей // Известия вузов. Радиофизика. 2006. Т.49. №9. С. 744–750.). Далее по отношению времен релаксации θ на двух частотах f₁ и f₂ рассчитывают электронную концентрацию и определяют ее высотный профиль N(h). В процессе зондирования интенсивность искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы, формируемых на частотах ƒ₁и ƒ₂, то есть с разными пространственными масштабами, уменьшается, так как после окончания действия возмущающего излучения они разрушаются (релаксируют), при этом уменьшается и амплитуда зондирующего радиосигнала, обратно рассеянного периодическими неоднородностями.

Физическая основа предлагаемого способа состоит в следующем.

Способ определения электронной концентрации основан на формировании искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте, выше критической частоты E-слоя и ниже критической частоты F2-слоя, в результате чего возмущающее радиоизлучение отражается от ионосферы. Вследствие интерференции падающей на ионосферу и отраженной от нее радиоволн во всем пространстве между нижней границей ионосферы (50–60 км) и высотой отражения возмущающего радиоизлучения формируется мощная стоячая радиоволна, возмущающая ионосферную плазму. В периодическом поле мощной стоячей радиоволны происходит неравномерный по высоте нагрев электронной компоненты ионосферной плазмы и ее вытеснение из более нагретых областей в менее нагретые, за счет чего формируются искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы с пониженной концентрацией электронов в пучностях поля стоячей волны и с периодом по высоте, равным L=0,5λ=0,5c/ƒ⋅n, где с – скорость света в вакууме, ƒ – частота возмущающего радиоизлучения, n – показатель преломления возмущающей радиоволны в ионосфере, зависящий от концентрации электронов N (Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. – М.: Наука. 1967. 684 с). Искусственные периодические неоднородности образуются во всем интервале высот от нижней границы ионосферы до высоты максимума F2-слоя. По окончании воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением сформированные искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы начинают разрушаться (релаксировать).

Зондирующий радиоимпульс излучают по окончании возмущающего воздействия на той же частоте радиоволны и с той же поляризацией, что и возмущающее радиоизлучение, в ионосфере происходит его рассеяние на релаксирующей периодической структуре во всем интервале высот образования искусственных периодических неоднородностей. При приеме измеряют амплитуду зондирующего радиосигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, сформированными возмущающим радиоизлучением, на исследуемой высоте h. С течением времени амплитуда обратно рассеянного сигнала уменьшается. Время релаксации (разрушения) искусственных периодических неоднородностей τ, равное времени релаксации обратно рассеянного сигнала и зависящее от высоты h, определяют по уменьшению амплитуды рассеянного сигнала в е раз. В нижней ионосфере в интервале высот 90–130 км релаксация искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы в отсутствие спорадических слоев ионизации и нейтральной атмосферной турбулентности, которые значительно изменяют высотную зависимость времени релаксации τ(h), происходит под действием амбиполярной диффузии, в результате чего диффузионное время релаксации неоднородностей, равное времени релаксации рассеянного ими зондирующего радиосигнала выражается формулой

(1)

где K=4π/λ=4πƒn/с – волновое число возмущающего радиоизлучения, λ=c/ƒ⋅n – длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме, с – скорость света в вакууме, ƒ – частота возмущающего радиоизлучения, n – показатель преломления возмущающей радиоволны в ионосфере, κ – постоянная Больцмана, М_i – средняя молекулярная масса ионов, ν_im – частота соударений ионов с молекулами, Т_е и T_i – невозмущенные температуры электронов и ионов, равные на указанных высотах температуре нейтральных молекул Т (Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Толмачева А.В., Бахметьева Н.В. Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей. – Нижний Новгород. ИПФ РАН. 1999. 155 с.). Из выражения (1) для времени релаксации следует его зависимость от частоты возмущающего радиоизлучения, а отношение времен релаксации рассеянных сигналов θ=τ₁/τ₂ на частотах f₁ и f₂ зависит только от этих частот и значения электронной концентрации N на высоте h.

Если значения времен релаксации τ₁ и τ₂ определяют на одной и той же высоте h, то отношение времен релаксации искусственных периодических неоднородностей на частотах возмущающего радиоизлучения f₁ и f₂ равно:

При создании искусственных периодических неоднородностей воздействием возмущающего радиоизлучения необыкновенной поляризации (необыкновенной волны) для исключения влияния на периодические неоднородности искусственной ионосферной турбулентности, в квазипродольном приближении коэффициент преломления для необыкновенной волны равен (Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. – М.: Наука. 1967. 684 с): где f₀ – плазменная частота на данной высоте, а f_L – продольная гирочастота электронов, равная , где ϕ - угол между направлением распространения радиоволны возмущающего радиоизлучения и направлением магнитного поля Земли (на высоте 100 км f_H=1,35 МГц, ϕ=19°для Нижнего Новгорода). Плазменная частота f₀ на данной высоте h связана с электронной концентрацией N выражением . Таким образом, отношение времен релаксации θ зависит только от используемых частот f₁и f₂ возмущающего радиоизлучения для создания искусственных периодических неоднородностей, плазменной частоты f₀ и, соответственно, электронной концентрации N, продольной гирочастоты электронов f_L на данной высоте h (Беликович В.В., Бахметьева Н.В., Калинина Е.Е., Толмачева А.В. Новый способ определения электронной концентрации в E-области ионосферы по временам релаксации искусственных периодических неоднородностей // Известия вузов. Радиофизика. 2006. Т.49. № 9. С. 744–750.). В результате электронная концентрация N на заданной высоте h определяется выражением

(2)

где величина α равна . (3)

В этом случае точность определения электронной концентрации определяется только точностью измерения времени прихода в пункт приема обратно рассеянного сигнала.

Из формулы (1) следует, что для неоднородностей с разными пространственными масштабами, определяемыми длинами волн или частотами возмущающего радиоизлучения, времена релаксации обратно рассеянного сигнала различны. При создании искусственных периодических неоднородностей попеременно на двух частотах ƒ₁ и ƒ₂, измерении амплитуды обратно рассеянного сигнала на этих частотах и определении времени релаксации обратно рассеянного сигнала τ₁ на частоте ƒ₁ и времени релаксации обратно рассеянного сигнала τ₂ на частоте ƒ₂, электронная концентрация N на каждой высоте h будет определяться формулой (2) с учетом соотношения (3).

Таким образом, определяя времена релаксации сигналов τ₁ и τ₂ в заданном интервале высот по уменьшению амплитуд А₁ и А₂ зондирующих радиоимпульсов на частотах ƒ₁ и ƒ₂, обратно рассеянных искусственными периодическими неоднородностями, созданными возмущающим радиоизлучением попеременно на частотах ƒ₁ и ƒ₂, определяют значение N b высотный профиль электронной концентрации N(h).

Реализуемость данного способа определения электронной концентрации подтверждена в серии экспериментов на среднеширотном нагревном стенде СУРА (56,1°с.ш.;46,1°в.д.) в Нижегородской области, проведенных авторами изобретения в 2000-е годы (А.В. Толмачёва, Н.В. Бахметьева, В.Д. Вяхирев, В.Н. Бубукина, Е. Е. Калинина. Высотно-временные вариации электронной концентрации в E-слое ионосферы // Известия вузов. Радиофизика. 2011. Том 54. № 6. С. 403–414.). В качестве возмущающего радиоизлучения, создающего искусственные периодические неоднородности, использовалось радиоизлучение трех синфазно работавших передатчиков стенда СУРА номинальной мощностью 250 кВт каждый, нагруженных на антенну с коэффициентом усиления G=100. Мощные передатчики нагревного стенда СУРА излучали в зенит возмущающее радиоизлучение в виде радиоволны необыкновенной поляризации с эффективной мощностью излучения ~80–100 МВт в режиме непрерывного излучения в течение 3 секунд с образованием искусственных периодических неоднородностей попеременно на частотах f₁=5,6 МГц и f₂=4,7 МГц. По окончании возмущающего радиоизлучения в каждом цикле измерений в течение 12 секунд на стадии разрушения (релаксации) искусственных периодических неоднородностей передатчики стенда СУРА излучали в зенит зондирующие радиоимпульсы длительностью 30 мкс и частотой повторения импульсов 50 Гц также попеременно на частотах f₁=5,6 МГц и f₂=4,7 МГц. В качестве приемников сигналов, обратно рассеянных искусственными периодическими неоднородностями, создаваемых на двух разных частотах, использовались связные приемники Р-250 с расширенной до 80 кГц полосой пропускания. Регистрация обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями сигнала производилась с шагом по высоте 0,7 км или 1,4 км и временным разрешением 15 с.

На фиг. 2 показаны примеры полученных N(h)-профилей с регулярными 2а) и 2б) и нерегулярными 2в) изменениями электронной концентрации N по высоте. На фиг. 2а) даны обычные гладкие N(h)-профили без особенностей, чаще всего наблюдавшиеся в околополуденные часы. Для них характерна плавная высотная зависимость N(h), близкая к моделям регулярного Е-слоя. На фиг. 2б) показаны профили электронной концентрации с ярко выраженными спорадическими слоями Е (E_s). На профиле N(h) в 13:55 на фиг. 2б виден спорадический слой E_s на высоте 101 км с концентрацией в максимуме слоя N=1,39·10⁵ см^-3. На фиг. 2в) приведены профили N(h) с нерегулярными изменениями электронной концентрации. Примеры N(h)-профилей, приведенные на фиг. 2, показывает высокую изменчивость электронной концентрации в Е-области ионосферы. Возможность исследования нерегулярных явлений в нижней ионосфере Земли, проявляющихся в высотных и временных вариациях электронной концентрации, является одним из преимуществ предлагаемого способа определения электронной концентрации.

Способ определения высотного профиля электронной концентрации в Е-области ионосферы Земли включает формирование искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы двух различных пространственных масштабов путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением выше критической частоты E-слоя и ниже критической частоты F2-слоя попеременно на двух частотах, излучение в ионосферу зондирующих радиоимпульсов по окончании возмущающего воздействия попеременно на тех же частотах и с той же поляризацией, что и возмущающее радиоизлучение, прием сигналов, обратно рассеянных искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, сформированными возмущающим радиоизлучением, измерение амплитуды и определение времени релаксации обратно рассеянных сигналов на каждой из излучаемых частот, определение высотной зависимости времени релаксации сигнала, обратно рассеянного сформированными возмущающим радиоизлучением периодическими неоднородностями на исследуемых высотах h, для чего по уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала на каждой высоте определяют время релаксации неоднородностей τ₁(h), сформированных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₁, и время релаксации неоднородностей τ₂(h), сформированных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₂, определяют отношение времен релаксации

и по формуле

с учетом выражения ,

включающего частоты f₁, f₂ и продольную гирочастоту электронов f_L, определяют значение электронной концентрации N на заданной высоте h и высотный профиль N(h).

Похожие патенты: