Файл: Филипп, Н. Д. Рассеяние радиоволн анизотропной ионосферой.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 21.10.2024

Просмотров: 106

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

магнитного поля Земли. В ряде экспериментов на разных трассах при неодинаковых длинах волн и мощностях передатчиков сигналы, отраженные от таких неоднородностей, обнаружены в це­ лом диапазоне высот от 80 до 300 км. Наиболее точные измерения относятся к эхо-сигналам от ионизаций полярного сияния на высо­

те 100 км.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Убедительные выводы, касающиеся эхо-сигналов,

 

вызван­

ных полярным сиянием,

были получены при

измерениях на

 

волнах

меньше одного метра [21

- 23 ]. На таких коротких волнах

 

оказа­

лось возможным использование высоконапрааленных антенн

и

опре­

деление

близких к истинным

высот

и углов.

Было обнаружено,

что

нет необходимости направлять радиолуч строго перпендикулярно

к

магнитному полю Земли, но это требование становится более

обя­

зательным с возрастанием частоты.

Полученную степень

ракурсной

чувствительности можно объяснить предположением, что

 

размеры

неоднородностей,

порождающих

эти

эхо-сигналы, составляют

 

де­

сятки метров вдоль магнитного поля и десятки сантиметров

попе­

рек него.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В районе Аляски обнаружены два вида эхо-сигналов,

один

из

которых

приходит

главным

образом

ночью из

относительно

ограни­

ченной

области от

отдельных

"дуг"

полярного сияния,

а

 

второй

наблюдается в основном днем и возникает от неоднородностей иони­ зации большой протяженности (от 500 до 800 км).

Время появления сигналов, отраженных от полярного сияния,' тесно связано с магнитными возмущениями, а дрейфовая скорость неоднородностей в ионосфере значительно зависит от ионосферной

токовой систеш . Скорость дрейфа неоднородностей на

порядок боль­

ше скорости обыкновенных ионосферных ветров.

Однако

отраженные

от метеорных следов сигналы, появляющиеся в районе

полярного

сияния, указывают, что скорооть дрейфа этих следов имеет

вели­

чину порядка

скорости

ионосферных ветров.

 

 

 

Сигнал,

рассеянный

поленаправленными

неоднородностями на

более низких широтах (при длине волны 10 - 20

м), где

очень

ред­

ко бывает северное сияние, свидетельствует, что в таких услови­

ях

полученный сигнал

слабо коррелирует с магнитными

возмущени­

ями.

 

 

 

Используя выражение удельной эффективной площади рассеяния

из

теории Букера [і і ]

при условии L ^ T и р.> <

10° (2.2) и

экспериментальные данные по рассеянию от полярного

сияния в рай­

оне Аляски, авторы работы [27] определили значения

продольной

20

и поперечной корреляций анизотропных неоднородностей: L~ 3,5 ми

Г = 0,1 м. Для этого района

найдено

также, что

№т-)г =

І0_4

при Afj ,

соответствущей

концентрации 10° э л /с м .

 

 

 

По мнению автора

[-38] ,

нет

еще достаточного

эксперимен­

тального доказательства,

позволяющего

утверждать,

как

это

де­

лают многие, что

L и

Т

имеют

различные значения'при наличии

и отсутствии северного сияния.

Физические факторы,

действующие

в атмосфере, заставляют думать,

что

Т

может’не меняться:

в ча­

стности,

гироскопический

диаметр

положительных ионов

и

сред­

ний свободный путь нитрогенных молекул - порядка одного

метра,

гироскопический

диаметр

электронов

с

энергией в 5

кэВ

(опреде­

лено при помощи ракетных измерений)

-

тоже порядка

одного метра

[29].

В[20] указывается, что результаты экспериментов, прове­

денных на более низкой широте

(43° с.ш .)

при длине

волны около

3 м [24] , также позволили

обнаружить

обратное

рассеяние от

поленаправленных неоднородностей. При этом эхо-сигналы мало кор­

релировали с геомагнитными возмущениями.

Сигналы,

рассеянные

неоднородностями

слоя

Е ,

тесно

коррелировали

оо спорадичес­

кими слоями

Es

. По данным [25]

, дрейфовая скорость

неодно­

родностей на

этих

широтах -

около 45

м /с.

 

 

 

 

 

По мнению Николса [20]

, радиорассеяние от небольших неод­

нородностей не зависит от механизма, порождающего их.

Следова­

тельно, разработанная Букером [26]

теория

этого

рассеяния

мо­

жет быть в принципе применена для объяснения рассеяния как

по­

лярными сияниями,

так

и другими неоднородностями. В связи с

об­

наружением постоянно

существующих поленаправленных

неоднород­

ностей в ионосфере предполагают, что

чувствительность

радио­

локационных установок

в конечном счете

будет ограничена

доле­

направленными неоднородностями, а при отсутствии последних - не­ когерентным рассеянием.

В заключение

отметим, что анизотропные неоднородности в слое

Е ионосферы на

средних широтах были обнаружены и

наклонным

зондированием [ з ,

6, 30] . Таких

экспериментов проведено мала,

подробный анализ

их будет дан в

главе Ш.

 

Г л а в а П

ГЕОМЕТРИЯ РАДИООТРАЖЕНИЙ ОТ МАГНИТНООРИЕНТИРОВАННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ИОНОСФЕРЫ

§ I . К вопросу о геометрии радиоотражений

от магнитно-ориентированных неоднородностей ионосферы

Под "геометрией" радиоотражений от анизотропных неоднород­ ностей ионосферы, направленных вдаль геомагнитного паля, обычно понимается, как и при авроральных радиоотражениях [З і] .совокуп­ ность вопросов, связанных с особенностями пространственного рас­ пределения отражающих областей и возможностью приема отраженных от них сигналов только при условии зеркального распространениями

д р .

Условие зеркальности распространения в применении к отраже­ ниям от магнитно-ориентированных неоднородностей (МОН) ионосферы

обычно трактуется

не в строгом

смысле, а

как достаточная

 

бли­

зость

отражения к

зеркальному.

Некоторое

отклонение от зеркаль­

ности

отражения выражается в существовании определенной

индика­

трисы

(диаграммы)

рассеяния.

Мерой близости может служить

ши­

рина

индикатрисы

рассеяния.

 

 

 

 

 

Отклонения от строгого зеркального отражения зависят

от

ме­

ханизма, вызывающего рассеяние. Анизотропные неоднородности ионо­

сферы могут быть вызваны проникновением в нее частиц

высоких

энергий

(характерно для полярной

зоны), микрометеоров или же,как

показал

А.Б.Гуревич, действием магнитного поля Земли на

неодно­

родности любой природы [32 - 35]

. При наличии внешнего магнитно­

го поля коэффициент амбияолярной диффузии существенно

зависит

как от направления, в котором рассасывается неоднородность по от­

ношению к

магнитному полю, так и от

электрического

поля,

возни­

кающего в неоднородности. При высотах

более 100 км

поперечный

коэффициент амбштаяярной диффузии становится значительно

меньше

продольного,,

вследствие чего неоднородность растягивается

вдоль

магнитного

поля.

 

этих

случа­

Форма анизотропных неоднородностей в каждом из

ев, по крайней

мере в первоначальной их фазе, будет

различной,

гг

хотя их

большие оси могут быть направлены одинаково вдоль

маг­

нитного поля Земли.

Каждая анизотропная неоднородность

будет

характеризоваться собственной диаграммой рассеяния.

 

 

 

Как

отмечается

а [54]

, ширина диаграммы при

отражении

от

метеорного следа меньше половины градуса, поскольку длина

сле­

да, как

правило,

значительно

превосходит диаметр j

первой

зоны

Френеля.

В

случае же

 

авроральной

ионизации диаграмма рассеяния

только при

самых благоприятных условиях оценивается минимальной

шириной

в

полградуса

в

связи

с тем, что продольные размеры

не­

однородности лишь на

I

-

1,5

порядка превышают поперечные,а

это,

в свою очередь, приведет

к различной степени близости отражения

к зеркальному.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чепмен

[36]

в

основу своей теории при исследовании

авро­

ральный

отражений положил две

независимые

гипотезы:

а) о

зер­

кальном

отражении радиоволн

 

от

полупрозрачных

анизотрошшх

неоднородностей

электронной

концентрации и

б) об ориентирован­

ности больших осей неоднородностейпо силовым линиям магнитного

поля Земли. Первая модель таких неоднородностей была

цилиндри­

ческой ("колонны" ионизации ориентированы вдоль силовых

линий

геомагнитного поля [36, 38] ). Кайзер [39] , Форсит

и

Воган

[40] считали отражающие облака полярной области скорее эллипсо­

идальными, чем

цилиндрическими, вытянутыми вдоль магнитного но­

ля.

Часть волн,

очевидно, должна отражаться от поверхности та­

кого

облака в любом случайном направлении, но, вероятно, отраг-

женкая интенсивность будет наибольшей в направлении

зеркаль­

ного

отражения от оси неоднородностей.

 

Метеорные следы в первоначальной стадии относятся к цилин­

дрической

модели [41]

, в то время как анизотропные

неодно­

родности,

вызванные различием в поперечном и продольном

коэф­

фициентах

амбиполярной диффузии [32—35J , видимо, ближе к ая-

липсоидальной.

 

 

 

 

Для определения направления максимума

интенсивности рас-

оеяния (такая задача возникает всегда при постановке

экспери­

мента) не

играют существенной роли формы анизотропных

неодно­

родностей.

Для решения "геометрических" задач распространения

можно воспользоваться

различными моделями

пространственного

распределения отражающих областей. При этом нет

необходимости

учитывать природу возникновения этих неоднородностей. В частно­

сти, может

быть использована цилиндрическая модель, как это де­

лается при рассмотрении

задач метеорного распространения,

или

же модели,

используемые

при изучении авроральных отражений. В

33

обоих случаях результаты' одни и те же; этот факт был использо­ ван наш при решении различных аспектов "геометрии"радиоотраже~ ний от МОН ионосферы.

При выборе способов расчета "геометрических" задач по ра­ диоотражениям исходят из двух основных методов постановки экс­ перимента для исследования ионосферы: метод обратного рассея­ ния и метод рассеяния вперед (наклонного, зондирования). В соот­ ветствии с этим разрабатывается "геометрия" обратного рассеяния и "геометрия" рассеяния вперед (более общая и менее разработан­ ная). Большинство экспериментов по исследованию ионосферы, в том числе и по изучению неоднородных анизотропных образовании, выполнены методом обратного рассеяния, который позволяет надеж­ но определить параметры ионизированной среда и удобен в органи­

зации продолжительных

экспериментов.

Недостаток этого

метода,

как

отмечается в [42]

,

заключается

в том, что он

 

позволяет

измерять только локальные

параметры,

и .для получения

более

пол

ной

пространственной

картины необходимо

создание

густой

сети

исследовательских станций, способных предоставить

требуемую ин­

формацию, что,естественно, связано с

огромными затратами и

не

является оптимальным решением существующих проблем.

 

 

 

Другим недостатком метода обратного

рассеяния

является

то,

что он позволяет получить информацию главным образом об особен­

ностях

структуры ионосферы безотносительно к более

интерес­

ной, с

точки зрения практики, проблеме распространения

радио­

волн на большие расстояния. Установить фактическую ценность су­

ществующих теорий и обоснованность принятых идеализаций

иди

же

выдвинуть

определенные

гипотезы

относительно механизма

распро­

странения

можно только

с помощью целенаправленного эксперимен­

та. В этом

отношении большими

потенциальными возможностями

об­

ладает метод наклонного зондирования. Сведения, накопленные та­

ким способом, при минимальных затратах существенно

дополняют

пространственно-временную картину

явлений,

протекающих в

ионо­

сфере и представляют практический

интерес,

отот метод,

как

по­

казывает опыт, позволяет в принципе решить многие проблемы, ка­ сающиеся физики ионосферы и распространения радиоволн в неодно­

родной анизотропной ионизированной среде.

 

Б отличие

от постановки

эксперимента по

распространению

радиоволн через

неоднородную

изотропную среду,

аналогичный экс •

леримент по изучению рассеяния радиоволн от анизотропных неодно­ родностей начинают с расчета трассы, учитывая при этом специ­ фику "геометрии" распространения.

24

Смотрите также файлы