Файл: Керблай, Т. С. О траекториях коротких радиоволн в ионосфере.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 24.10.2024

Просмотров: 60

Скачиваний: 0

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

эквивалентной Частоте наклонного падения / пакл = /„seccp0 (фо — угол падения радиоволны на слой), однако есть экспери­ ментальные доказательства того, что слой Е5 при наклонном па­ дении радиоволн характеризуется большими экранирующими свойствами. Эквивалентность характеристик при вертикальном и наклонном падении в большой мере зависит от структуры слоя.

Существенное влияние на распространение коротких радио­ волн в высоких широтах, особенно ночью, в зимний период, ока­ зывает слой Es зоны полярных сияний (Ф 60 -г- 75° с. ш.).

Типы Es, появляющиеся в зоне полярных сияний, имеют целый ряд особенностей. В отличие от среднеширотного и экваториаль­ ного Es максимум вероятности появления Es в полярной зоне приходится на ночные часы. Преобладающими в ночное время являются два вида Es, характерные только для этой зоны. Один из них, тип а, получивший название типа полярных сияний, по­ казывает явную связь с магнитными возмущениями. Слой Es типа а является слоем рассеянных отражений, степень экранирова­ ния верхней ионосферы этим слоем невелика, так как диапазон полупрозрачности значителен. Второй вид слоя Es типа г харак­ теризуется наличием группового запаздывания. Его след на ионограмме по форме подобен регулярному слою Е. Этот слой Es также появляется только в зоне полярных сияний и лишь во время магнитно-ионосферных возмущений область появления Es типа г расширяется в сторону более низких широт. Тип Es с групповым запаздыванием, кроме эффекта экранирования, должен вызывать рефракцию проходящих через него или отражающихся радио­ волн; для расчета траекторий он может аппроксимироваться той же моделью, что и регулярный слой Е.

В зоне полярных сияний в небольшом проценте случаев появ­ ляются и типы Es, свойственные средним широтам, однако в этом случае они отличаются большей диффузностыо и большим диапазо­

ном полупрозрачное™.

75°) спорадические слои по­

В околополюсной области (Ф

являются сравнительно редко, предельные частоты их невелики, слои в большинстве случаев полупрозрачны. Практически значи­ тельной роли в распространении коротких воли они не имеют.

Особый тип Е$, экваториальный тип q, появляется в сравни­ тельно узкой полосе ±5° в обе стороны от магнитного экватора Земли. Этот слой Es отличается наибольшей регулярностью по сравнению со всеми вышеописанными слоями. Он возникает в мо­ мент восхода солица и длится до заката. Предельные частоты его достигают 9—11 Мгц. Слой в основном полупрозрачный. Роль его в радиосвязи ограниченна, поскольку он появляется в срав­ нительно узкой полосе. Однако на небольших радиолиниях, секу­ щих экватор, ои может отражать радиоволны до 50 Мгц, а также способствовать возникновению двух видов траекторий для радио­ волн с более низкими частотами.

29


До сих пор иѳ установлено, чем обусловлены изменения па­ раметров слоя Es от года к году. Поэтому в отличие от регулярных слоев ионосферы при прогнозе характеристик слоя Es можно в первую очередь рассматривать суточные, сезонные, широтные закономерности Es, а не его зависимость от уровня солиечиой

активности.

в слое

Следует отметить некоторые аномальные эффекты

F2, которые могут сказаться на траектории радиоволн.

обычно

Аномальная ионизация слоя F2 наблюдается

в высоких шпротах и состоит в появлении на высотах

слоя F2

или несколько больших дополнительного слоя, часто диффузного, с критическими частотами, превышающими частоты слоя F2 [41]. Предполагается, что дополнительный слой в ряде случаев сущест­ вует выше слоя F2 и не виден на ионограммах вертикального зон­ дирования из-за того, что его критические частоты не превышают частоты слоя F2. Наличие аномальной ионизации может привести к отражению радиоволн с большими частотами и усложнить их траекторию.

Другим эффектом, на котором следует остановиться, является так называемое / ’-рассеяние, или «диффузные отражения», сви­ детельствующие о том, что область F2 содержит большое количест во неоднородностей. Этот эффект наблюдается в высоких широтах почти в течение суток с максимумом ночью и в приэкваториальных областях (Ф = ± 20°) в вечернее и ночное время [42].

При наличии /^-рассеяния радноволна, проникшая на высоты слоя F2, будет претерпевать отражения и рассеяние от много­ численных неоднородностей, что приводит к появлению большого числа траекторий и соответственно’ к расширению диапазона воз­ можных углов прихода. В ряде случаев могут возникать боковые рассеяния и изменения азимута приходящих лучей.

В заключение следует отметить, как может измениться струк­ тура ионосферы во время ионосферных возмущений и как это должно сказаться на траекториях радиосигналов.

Ионосферные возмущения могут быть различных типов. Они могут проявляться в изменении критических частот слоя F2 и из­ менении геометрических параметров слоя, в появлении слоя F1 в периоды, когда он обычно не наблюдается [43]. В этих случаях, если известны изменения критических частот и параметров слоев (уже опубликованы первые попытки прогнозирования параметров слоя F2 в возмущенных условиях [44]), траектория может быть вычислена с использованием модели, отличающейся от модели для спокойных условий.


Г л а в а II

ПЛАНЕТАРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ГРАДИЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ

§ 1. Основные соотношения, определяющие горизонтальный градиент показателя преломления

В ряде методов расчета траекторий в трехмериоиеоднородыой ионосфере градиент показателя преломления п выражается через его составляющие в направлении дуги большого круга, соединяю­ щей точки излучения и приема (дп/дѲ) и в поперечном направле­ ний дп/д%). Составляющие показателя преломления выражаются через градиенты электронной плотности следующим образом:

 

к дІѴ (h)

 

к

dN(h)

дп

f l

т

дп

'ГР

дХ

00п =

[,

kN(h)-

 

kN (КГ 7=’

2п {к,

, %),

1

N = N (h, 0, %),

 

L

'fр- J

 

 

fl J

 

 

0

 

 

 

 

где к — коэффициент, зависящий от ряда постоянных.

При модельном представлении ионосферы в виде слоя с пара­ болическим (или каким-либо другим) законом распределения ионизации с высотой градиент dN/dQ для каждого уровня слоя может быть представлен как функция критической частоты слоя,

высоты максимума концентрации и полутолщины

слоя (/с, кт

и ут) и их градиентов dfc/dQ, <9/г„,/<90, dym/dQ (это,

а также все

последующие рассуждения в равной мере относятся и к градиенту

dN/dx).

параболический

закон

N (к) и

введя

переменную

Приняв

X = (кт к)/ут, соответствующую глубине слоя, отсчитываемой

от уровня максимума, получим

 

 

 

 

д п ( х )

1

Г

,,

« dfc ,

l l * dhm

f t

Эут

'

зв

П

L

/2

'

'

аѳр Утд%

г ут

аѳ

_ •

Как видно из выражения для dn/dQ, градиенты параметров слоя входят в разные члены, что позволяет независимо рассматривать эффекты градиентов критической частоты и геометрических пара­ метров.

Имеющиеся сведения об ионосфере свидетельствуют о том, что наибольшие градиенты электронной концентрации характерны

31


для слоя F2. Поэтому следующие параграфы посвящены описанию градиентов, наблюдаемых в этом слое.

Наиболее подробно изучены изменения критических частот слоя [45—52]. Они позволяют составить довольно полное пред­ ставление о величине и вероятности появления градиентов dfc/dD (см. § 2 и 3). При этом можно отдельно рассматривать градиенты, связанные с неоднородностями различных масштабов. Так, к круп­ номасштабным ( и л и регулярным) градиентам можно отнести гра­ диенты в периоды восхода и захода, когда изменения f 0F2 одного знака наблюдаются в области, имеющей протяженность порядка 1000—2000 км и даже более. К крупномасштабным также следует отнести градиенты f 0F2, вызванные приэкваториальной геомаг­ нитной аномалией. В этих случаях протяженность неоднородно­

стей, имеющих градиент одного направления, около 2000 км.

Наряду с указанными градиентами в реальной ионосфере наб­ масштаба

людаются градиенты в областях значительно меньшего (менее км), направление их непостоянно, величина меняется

100

в широких пределах. Закономерности появления мелкомасштаб­ ных градиентов и их величина изучены в настоящее время недо­ статочно, поэтому учет их влияния на характеристики распро­ странения радиоволн еще требует дальнейших исследований.

Последующие параграфы

данной главы содержат сведения

в основном о крупномасштабных

градиентах.

§ 2. Горизонтальный градиент

критической частоты слоя F2,

связанный с местным временем

Изучение статистических

закономерностей горизонтальных

градиентов критических частот слоя F2 в настоящее время про­ водится на основе данных о }0F2 мировой сети ионосферных стан­ ций, спутниковых поиозопдов и ракетных измерений. Однако, не­ смотря на обширную сеть ионосферных станций и измерений с по­ мощью спутников, часто приходится для изучения свойств гра­ диентов, их планетарного распределения, изменений, вызванных солнечной активностью, применять интерполяционные методы. Так, для изучения свойств долготных градиентов f 0F2 часто ис­ пользуются временные градиенты. Эта замена не вносит больших ошибок, поскольку изменение ионизации вдоль широты связано

в основном с изменением зенитного

угла солнца. На некоторых

ионосферных станциях в периоды МГГ и МГСС проводились уча­

щенные наблюдения с интервалом 1

и 5 мин. Это позволяет сос­

тавить представление

о величинах эквивалентных градиентов на

расстояниях порядка

 

км.

 

по формуле

Долготные

градиенты

рассчитываются

 

100

 

 

 

 

 

з/о

_ f o(k n ) ~

f о(к)

частот в -|- 1)-й и Л-й

 

 

ди

~~

д д

где /о(/і+і) и /орс) — значения критических

32


Рис. 12. Карта градиентов fQF2, связанных с изменением местного времени. Январь 1958 г.

моменты местного времени; АD — длина дуги на данной геогра­ фической широте, соответствующая временному интервалу между наблюдениями.

В работах [47, 52] для вычисления градиентов f 0F2 использо­ вались измерения с интервалом в 15 мин за каждый день и еже­ часные медианные значения f 0F2 для лет низкой и высокой солнеч­ ной активности. Построены гистограммы для величин градиентов отдельно для утренних, дневных и вечерних часов местного вре­ мени и вычислены медианные градиенты. По данным о величине градиентов, вычисленных на основе медианных значений f0F2, построены карты, характеризующие планетарное распределение медианных градиентов. Совпадение медианных величин градиен­ тов, рассчитанных с помощью гистограмм для отдельных станций, с градиентами, снятыми с карт в месте расположения станции, позволило использовать полученные карты для оценки величины градиента А/0. Приведем выводы относительно статистических свойств медианных горизонтальных градиентов f 0F2 и мгновенных градиентов.

Характеристика медианных долготных градиентов f 0F2.

1. Градиент f 0F2 существенно зависит от времени суток. В тече ние всего года максимальные величины градиентов наблюдаются в утренние и вечерние часы местного времени. По абсолютной

2 Т. С. Керблай, Е. М. Ковалевская

33

Рис. 13. Карта градиентов }0F2, сізкзаітпых с нзменеписм местного времени. Июнь 1958 г.

величине максимальным градиент в утренние часы почти вдвое

больше градиента в вечерние часы. Величина

его в

утренние

часы достигает 0,5 Мгц/100 км. Градиенты f 0F2 утром и

вечером

направлены противоположно.

явно

выраженный

сезонный

ход

2. Градиенты f 0F2 имеют

в средних и высоких широтах.

Величины градиентов зимой в

не­

сколько раз превышают значения

градиентов

в

летнее время.

В экваториальной области сезонного хода не

наблюдается.

 

3.В годы высокой солнечной активности зимой и в равноден­ ствие видна тенденция уменьшения величины градиента от сред­ них широт к экватору. В летнее время намечается рост величины градиента от средних широт к экватору.

4.В годы низкой солнечной активности заметно увеличение

градиента f 0F2 при приближении к экватору в зимнее и летнее время.

5. Величины градиентов в годы высокой солнечной активно­ сти выше, чем в годы низкой солнечной активности. Различие наиболее существенно в зимнее время. В этом случае максималь­ ные величины градиентов в годы высокой солнечной активности превышают в 1,5—2 раза значения градиентов в год низкой сол­ нечной активности, в летнее время — менее чем в 1,5 раза.

34