Начальная стадия взаимодействия мощного радиоизлучения с плазмой верхней ионосферы (экспериментальные исследования)

В настоящее время проводятся интенсивные исследования нелинейных эффектов в ионосфере Земли, возникающих при взаимодействии мощных радиоволн с ионосферной плазмой. Интерес к этой проблеме возник в связи с разнообразными геофизическими и астрофизическими приложениями, представляющими значительный интерес не только .для физики ионосферы, но и .для физики плазмы в целом, а также для многочисленных приложений в задачах ионосферно- ¦ го распространения радиоволн. Особенно большие успехи в решении этой проблемы были достигнуты в связи с созданием специальных стендов по воздействию на ионосферу мощным коротковолновым излучением. В настоящее время эксперименты по воздействию на ионосферную плазму проводятся в ряде ведущих научных центров СССР (НИИР, ИЗМИР Ш СССР, НИРШ, ПГИ КФ АН СССР, ИА АН Тадж. ССР) — США — исследовательские центры в Аресибо (Пуэрто-Рико), Боулдере (штат Колорадо), на АляскеНорвегии (Тромсё).

Основное внимание в этих исследованиях уделяется изучению нелинейных явлений в F-области ионосферы, где возникает широкий комплекс разнообразных эффектов.

В ходе активных экспериментов, наряду с такими ожидаемыми эффектами, как изменение температуры и концентрации ионизованной компоненты ионосферы /1−5/, возникновение квазипериодических решеток в поле стоячей радиоволны /6−7/, возбуждение крупномасштабных неоднородностей концентрации плазмы за счет самофокусировоч-ной неустойчивости электромагнитных волн /8−11/, были обнаружены новые явления, наиболее замечательным из которых явилось возникновение искусственной ионосферной турбулентности (ИИТ). Оказалось, что при воздействии на F-слой вертикальным пучком электромагнитных волн обыкновенной поляризации вблизи уровня отражения радиоволн возбуждаются неустойчивости плазмы, приводящие к росту высокочастотных колебаний плазмы (плазменных волн) /12 -17/ и низкочастотных возмущений ее параметров — мелкомасштабных неоднородностей концентрации и температуры, обладающих сильной вытянутостью вдоль направления геомагнитного поля Hq /18−20/. Интенсивность плазменных волн при воздействии на ионосферу возрастает на несколько порядков по отношению к естественным шумам среды /14−15/, и в силу повышенной плотности энергии плазменные волны, в свою очередь, становятся источником возмущения среды. Это приводит к уширению их частотного спектра /12−17/, к генерации электромагнитного излучения на частотах, отличающихся от частоты электромагнитной волны накачки /21−24/ и к возникновению ускоренных потоков электронов, вызывающих свечение нижележащих слоев атмосферы /25−26/. Таким образом, при воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением возникают и развиваются различные процессы плазменной турбулентности, приводящие к искажению функций распределения электронов и ионов, к образованию широкого спектра масштабов неоднородностей плазмы и к возбуждению собственных волн плазмы различных типов. Возмущенная область начинает сильно влиять на условия распространения KB и УКВ радиоволн, проходящих через нее и сама становится источником радиоизлучения. При этом волна накачки испытывает почти полное поглощение, отдавая свою энергию искусственной ионосферной турбулентности /27/.

Для интерпретации полученных результатов привлекаются теории стрикционной параметрической неустойчивости /28−30/, которая приводит к быстрому (за время порядка нескольких миллисекунд) развитию турбулентности вблизи уровня отражения мощной радиоволны и тепловых неустойчивостей — резонансной /31−35/ и теп, ловой параметрической /36−43/, приводящих к мелкомасштабному расслоению плазмы и к возбуждению плазменных волн вблизи верхнегибридного резонанса плазмы.

Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование динамики развития искусственной ионосферной турбулентное-ти. При этом необходимо было выяснить-условия возбуждения ИЙТ, в том числе в различных геофизических условиях, установить зависимость основных характеристик возникающих неустойчивостей от мощности волны накачки (БН), от способа нагрева ионосферы и от ее параметров. В экспериментах, проведенных в данной работе, в качестве возмущающего ионосферудетройства, в основном, использовался стенд «Зименки» с эффективной мощностью излучения ^ 25 МВт (Р^ = Р0' (!), Р0 — мощность передатчика, (qкоэффициент усиления антенны). В отдельных, отмечаемых в диссертации, случаях воздействие на ионосферу осуществлялось стендом «Гиссар» (Pg ^ 10 МВт) и более мощным, по сравнению с первыми, стендом «Сура» (Pj ^ 160 МВт).

Результаты этих исследований позволяют построить основы модели возбуждения в верхней ионосфере искусственной ионосферной турбулентности, обозначить границы применимости существующих теоретических моделей, установив экспериментальные факты, не нашедшие пока должного отражения в теоретических исследованиях взаимодействия электромагнитных волн с плазмой.

Изложенные в диссертации результаты экспериментов. и проведенный анализ экспериментальных данных могут быть использованы при планировании и постановке новых экспериментов по воздействию на ионосферу (например, при сильном нагреве Fслоя). Подученные в ней основные характеристики мелкомасштабных неоднороднос-тей' возмущенной области (ВО), возбуждаемых волной накачки с большой эффективной мощностью Рэ = Р0 ' (3j ^ 100 МВт необходимы для использования ВО в целях практики. В диссертации рассмотрена возможность использования некоторых нелинейных явлений (отполированного излучения, стрикционного самовоздействия) для исследований физики верхней ионосферы.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований самовоздействия волны накачки и особенностей развития мелкомасштабных неод-нородностей ионосферной плазмы на начальной стадии взаимодействия мощного радиоизлучения с плазмой Fслоя, в том числе: а) эффекта, стрикционного самовоздействия мощного KB радиоимпульса при его отражении от ионосферыб) временных, энергетических и пространственных характеристик эффекта «пичков» (осциллирующего режима самовоздействия на временах *0,1 — 0,5 сек) — в) особенностей воздействия на ионосферу радиоизлучением со случайной модуляцией несущей частотыг) обнаружение и исследование эффекта подавления стрикционного самовоздействия и явления «пичков» при развитии аномального ослабления мощного радиоизлученияд) обнаружение особенностей на начальной стадии развития мелкомасштабных неоднородностей ионосферной плазш при воздействии на нее излучением с эффективной мощностью Р^ >s 30 МВт, состоящих в повышенном (на 3−10 дБ) уровне их интенсивности в первые несколько секунд после начала воздействия по сравнению с устанавливающимся стационарным уровнем.

2. Метод оценки параметров пространственного спектра мелкомасштабных неоднородностей, основанный на анализе динамических характеристик аномального ослабления «пробных» радиоволн.

3. Результаты экспериментальных исследований динамических и спектральных характеристик стимулированного радиоизлучения ионосферной плазмы, в том числе: а) динамики развития «этиолированного радиоизлучения (CP) на разных частотах в зависимости от мощности БН и от предыстории воздействия на ионосферуб) особенностей динамического спектра CP, заключающихся в интенсивности CP наличии нескольких максимумов в зависимостиуот частотыв) зависимости интенсивности CP от мощности волны накачкиобнаружение эффекта гистерезиса в этой зависимости.

Содержание работы.

Диссертация состоит из Введения, четырех разделов, Заключения и Приложения.

ЗАКЛШЕНИЕ.

В диссертации проведено экспериментальное исследование нелинейных явлений, возникающих на начальной стадии взаимодействия мощного KB радиоизлучения с плазмой Гобласти ионосферы.

При этом были получены следующие основные результаты.

1. Экспериментально исследован эффект быстрого самовоздействия ВН с частотой, большей гирочастоты электронов, в F-области ионосферы. Определены эффективная пороговая мощность самовоздействия Р^ * 7 * 10 МВт и характерное время развития эффекта I * 4 мсПолучены экспериментальные зависимости степени самовоздействия и его характерного времени от мощности ВН. В результате проведенного анализа установлено, что эффект быстрого оамовоздействия определяется развитием стрикцион-ной параметрической неустойчивости в Fобласти ионосферы, которое сопровождается значительным ослаблением ВН за счет tjhd-формации ее энергии в энергию плазменных волн.

2. Проведено экспериментальное исследование эффекта «пичков» — самовоздействия мощной радиоволны с характерным временем tg ^ 100 мс. Установлена пороговая мощность появления «пичков» Р 4 МВтИзучены временные, энергетические и вП'1 пространственные характеристики эффекта в зависимом от мощности ВН. Отмечены особенности его проявления на пробных волнах, зависящие от мощности пробных волн и от режимов работы мощного «передатчика. Обсуждены возможные механизмы образования эффекта «пичков» .

3. Экспериментально установлено, что расширение сиектра излучения волны накачки до величины ДJ ^ 5 кГц приводит к подавлению стрикционного самовоздействия, что подтверждает определяющую роль СПН в развитии этого эффекта. Показано, что эффект «пичков» подавляется при существенно большей полосе излучения ВН Д J 2 30 * 40 кГц. Значения Д ji} Д могут испытывать значительные вариации (уменьшаясь на порядок) ото дня ко дню наблюдений, но соотношение при этом сохраняется.

На аномальное ослабление расширение спектра ВН оказывает различное влияние в зависимости от времени суток: в дневные часы эффект АО подавляется при ^ 5 кГц, в то время как в вечерние часы такого подавления не обнаружено даже при полосе д! = 200 кГц. Отмечены трудности интерпретации эффекта подавления АО, наблюдавшегося в дневные часы, в рамках разработанных теорий.

4. Обнаружен и исследован эффект подавления стрикционного самовоздействия и эффекта «пичков» при развитии аномального ослабления ВН. Этим доказано, что-первые два этапа начальной стари определяются явлениями, происходящими выше уровня верхнегибридного резонанса, вблизи которого щюисхорт возбуждение мелкомасштабных неоднородностей, вытянутых вдоль Н^ .

5. Методом ракурсного рассеяния исследованы спектральные и динамические характеристики мелкомасштабных неоднородностей, возбужденных при воздействии на рслой рароизлучением с эффективной мощностью до 100 МВт.'Показано, что зависимость сечения рассеяния возмущенной области от мощности ВН является продолжением соответствующей зависимости, полученной при Рэ ^ 20МВт Обнаружены особенности развития мелкомасштабных неоднородностей при Р > 30 МВт, которые заключались в повышенных уровнях сечения рассеяния ВО на первых секундах после начала воздействия.

6. Предложен новый метод определения качественного вида спектра искусственных неоднородностей с fj. — А^, основанный на изучении релаксации АО пробных рароволн. На его основе проанализированы экспериментальные данные, свидетельствующие.

— ft 2о возрастании веса мелкомасштабной части спектра искусственных неоднородностей при повышении мощности ВН.

7. Проведено экспериментальное исследование динамических и спектральных характеристик стимулированного радиоизлучения ионосферы. Показано, что CP обусловлено трансформацией искусственных плазменных волн в электромагнитные волны. Впервые получены зависимости потока мощности CP $ и времени развития.

Тл стимулированного ззлучения от мощности ВН Р: г «9.

Тр «Р/, где В = 0,5 * 2 i * JГ* Ъ.

S * -р,. где о4 = причем, Рэ возрастает с увеличением расстройкиот частоты ВН. Обнаружен и исследован эффект гистерезиса в зависимости $ (Рэ) — произведено сравнение с обнаруженным нами ранее эффектом гистерезиса в зависимости сечения рассеяния ВО от Рэ /47/. Результаты специальных экспериментов указывают на существенную роль, которую играют искусственные неоднородности в генерации стимулированного излучения.

8. На основе полученных данных построена модель развития низкочастотной и высокочастотной ИИТ, возбуждаемой в Fобласти ионосферы мощным коротковолновым радиоизлучением.'.

Анализ полученных в данной работе экспериментальных результатов позволяет составить качественную картину сложных процессов, которые приводят к турбулизации плазмы. Эта картина в общих чертах соответствует представлениям, разработанным в рамках стрикционной параметрической неустойчивости, объясняющей динамику быстрых процессов, и тепловых неустойчивостей (резонансной и тепловой параметрических неустойчивостей), приводящих к мелкомасштабному расслоению плазмы.

Однако, существует ряд экспериментальных результатов, не.

— мнашедших удовлетворительной интерпретации в существующих теоретических представлениях о воздействии мощным электромагнитным излучением на ионосферную плазму, В первую очередь, к сожалению, отсутствует полная ясность в понимании природы «пичков» на отраженных сигналах ВН и ПВ, К этому воцросу тесно примыкает проблема переноса модуляции мощного радиоизлучения на ПВ, и совершенно неожиданного повышения уровня более слабой раро-волны цри включении импульса ВН (п, Г,2)+Ч.

Неясны также причины появления всплесков в сечении рассеяния ВО (п. 2.1), возникающих сразу после включения мощного передатчика с Рэ > 30 МВт. Отсутствие ракурсных условий для радиоволн с частотой 24 МГц в данных экспериментах ставит вопросы о трехмерной форме пространственного спектра неоднородностей на начальном этапе развития ИЙТ, обеспечивающих столь высокий уровень рассеянного сигнала и о причине их необычной динамики (взрывной рост и столь же резкая релаксация). Ответ на эти вопросы можно получить путем целенаправленных экспериментов по одновременному зондированию ВО с использованием различных радиотрасс в условиях сильного нагрева ионосферы.

Интересные результаты, по-видимому, могут быть получены в исследованиях начальной стадии взаимодействия с ионосферой радиоизлучения с Р. ^ 100 МВт. о.

В плане дальнейших исследований стимулированного излучения необходимо детально изучить динамику развития спектра CP при Т < 0,1 с, установить возможные механизмы генерации CP с Д^О,.

Возможно, что планируемые измерения фазы отраженного от ионосферы сигнала ВН и ПВ с хорошим временным разрешением могут дать ответ на поставленные вопросы.

— мвыяснить утловое распределение поля CP, а также особенности генерации CP при воздействии на ионосферу несколькими волнами накачки с различным частотным разносом между ними'.

ПШ02ЕНИЕ.

Ераткое описание методов исследования и использованной аппаратуры.

Почти все м$оды исследования верхней ионосферы, находящейся под воздействием мощного радиоизлучения, основаны на изучении характеристик электромагнитных волн различных радиодиапазонов прошедших через возадущенцую область (ВО), отраженных от нее, либо возбужденных внутри области^. В зависимости от параметров этих радиоволн (частоты,.поляризации, путей распространения и т. д.) принимаемые радиосигналы несут информацию о различных характеристиках ВО.

Исследованиям нелинейных явлений в верхней ионосфере предшествовало многолетнее изучение естественных неоднородностей ионосферной плазмы и их влияния на распространение радиоволн. Это обстоятельство в основном и предопределило тот арсенал радиофизических методов, которые в настоящее время применяются для диагностики искусственной ионосферной турбулентности (ЙИТ). Прежде всего к ним относятся методы, основанные на ракурсном рассеянии радиоволн неоднородностями малого масштаба (размеры неоднородностей в плоскости, ортогональной силовым линиям геомагнитного поля Н0, меньше 50 * 100 м /50/ и на эффектах мерцания (обусловленных неоднородностями более крупного 0,1 «и < 3 км масштаба) радиоизлучения дискретных космических источников и сигналов бортовых передатчиков ИСЗ /11,95/.

Получили распространение и сравнительно новые, ранее широ.

Исключением. являются зондовые измерения с борта ИСЗ. ко не использовавшиеся в практике ионосферных измерений методы, основанные на эффекте трансформации волн в другие моды, а также методы, связанные с изучением плазменных линий с помощью некогерентного рассеяния /12−16/ и стимулированного излучения /21−24/, Кроме этого проводятся исследования оптического излучения атмосферы /25−26/.

Экспериментальные исследования возмущенной области F-слоя, которые были проведены в данной работе, основаны на использовании четырех методов: метода самовоздействия мощной радиоволны, метода пробных волн, метода ракурсного рассеяния и метода стимулированного излучения.

Метод самовоздействия.

В основе этого метода лежит исследование параметров отраженного от ионосферы сигнала волны накачки (ВН), на которые оказывают существенное влияние нелинейные процессы, возникающие в верхней ионосфереПри этом изучается ослабление ВН за счет трансформации ее энергии в другие ветви колебаний Рслоя ионосферы. Трансформация ВН в плазменные волны может идти за счет двух механизмов, причиной которых являются стрикционная и тепловая нелинейность ионосферной плазмы. Стрикционная нелинейность возникает вследствие того, что неоднородное переменное электрическое поле волны оказывает давление на электроны плазмы /97−98/. Это давление вызывает вытеснение плазмы из области о большей нацряженностью электрического поля. Концентрация элас-тронов и диэлектрическая проницаемость плазмы становятся тогда зависящими от амплитуды электрического поля, что и обусловливает нелинейность электродинамических процессов /1−2/. Особую рол^юлннейных процессах верхней ионосферы играют области плазменных резонансов вблизи точки отражения мощной радиоволны обыкновенной поляризации, где и возбуждаются различные неустойчивости при сравнительно небольших полях волны накачки. Стрикцион-ная параметрическая неустойчивость (индуцированное рассеяние на ионах) /28−30/, обладающая, по-видимому, наибольшими инкректрическое поле ВН и пороговое поле неустойчивости соответственно) развивается в непосредственной близости к точке отражения ВН.

В процессе развития параметрической неустойчивости возбуждается плазменная турбулентность, и отток энергии из волны накачки в плазменные волны может намного превышать линейное затухание, являясь причиной сильного ослабления исходного сигналаэффекта стрикционного самовоздействия.

Таким образом, исследование стрикционного самовоздействия ВН позволяет изучать характеристики быстрых нелинейных процессов (с характерными временами) вблизи точки отражения электромагнитной волны (см. п.1.1).

Второй тип нелинейностей связан со столкновениями электронов, с их нагревом в электрическом поле волны. Эффективный нагрев электронов в сравнительно небольших электрических полях приводит к изменению диэлектрической проницаемости и возникновению тепловой нелинейности. Тепловая нелинейность вблизи уровня плазменного резонанса приводит к возбуждению неустойчивости — тепловой параметрической /36−43/ или резонансной /31−35/. При развитии этих неустойчивоетей возникает спектр неоднородностей электронной концентрации плазмы с масштабами меньшими длины волны накачки, на которых происходит трансформация ВН в плазменные волны1 Ослабление ВН в результате такой трансформации называется аномальным ослаблением /55/. Вследствие анизотропии коэффициентов диффузии и теплопроводности в верхней ионосфеп у (>в — частота столкновений электронов,.

— мре, эти неоднородности вытянуты вдольь Н0. Сильная вытянутоеть неоднородностей является причиной того, что взаимодействие плазменной и электромагнитной волны осуществляется в области квази-цродольного распространения последней, т. е. при ^ СОне — гирочастота электронов, СО — частота электромагнитной волны) и ограничено интервалом высот, для которых выполнимо i— И условие плазменного резонанса ТА — ——г—, (г 1-UWSo^ * угол между волновым вектором плазменной волны и Н^, ос % близко к Я/з), 1Г=^)ре /сОг, СОре — плазменная частота электронов, U= н условие СО ^ COpg • При этом на каждом уровне данного высотного интервала за трансформацию ответственны fA — Н неоднородности с определенным волновым вектором —jf—, так что в целом ослабление радиоволн в результате их трансформации в плазменную 2 -моду на вытянутых неоднородностях оп.

ОО ^ ределяется интегралом 3&i, где, а спектральная''плотность межомасштабнн’х неоднородностей данного масштаба /73/.

I Э8х |.

Таким образом, метод самовоздействия позволяет исследовать интегральные характеристики нелинейных процессов в Рслое высокоионосферы, приводящих к возбуждению-частотных плазменных волн и низкочастотной турбулентности. Он получил широкое распространение уже в первых экспериментах по воздействию на ионосферную. плазму мощным радиоизлучением /64,76/.

Метод пробных волн.

Этот метод близок по своей сути к методу самовоздействия, однако обладает рядом особенностейОн основан на вертикальном (наклонном) радиозондировании и просвечивании возмущенной области KB радиоизлучением — пробными волнами (ПВ). Пробные волны обладают относительно малой средней мощностью и не вызывают дополнительного возкущения ионосферной плазмы, однако, по вариациям параметров пробных волн можно судить о процессах, происходящих в плазме под действие' мощного радиоизлучения. Пробные волны обыкновенной поляризации близких частот к частоте ВН также испытывают значительное ослабление, за счет трансформации в плазменные волны на вытянутых неоднородностях, создаваемых мощной радиоволной /55,64/, причем разные масштабы ^ неоднородностей вносят различный вклад в эту трансформацию. Изучая временные характеристики эффекта трансформации при развитии и релаксации ИИТ и учитывая различие во временах релаксации и развития для неоднородностей разных масштабов, можно из данных о трансформации радиоволн определить Изучение эффекта трансформации радиоволн разных частот позволяет также оценить интервал высот, А к, в котором содержатся неоднородности разных поперечных масштабов. Зондирование ВО радиоволнами, дан которых трансформация в плазменные волны невозможна (в качестве ПВ используются электромагнитные волны с большими отстройками частот от частоты ВН или радиоволны необыкновенной поляризации) позволяет исследовать неоднородности с масштабами Л^/99/.

Процессы в Р-слое, обусловленные стрикционными явлениями, не нашли своего отражения на ПВ с частотами, отличающимися от частоты ВН более, чем на 10 кГц /27/. Вероятно, это связано с узким (по частотной отстройке) ядром стрикционного взаимодействия ВН с плазменными волнами, характерная полоса частот которого для типичных ионосферных условий составляет 14−3 кГц /28/. Преодоление технических сложностей, связанных с уменьшением отстройки ПВ на величину менее 1*3 кГц, по-видимому, откроет новые возможности для изучения стрикционной параметрической неустойчивости в ионосфере.

Метод пробных волн в экспериментах по воздействию на ионосферу начал применяться одновременно с методом самовоздействия и сейчас находится на стадии своего развитияС его помощью исследуются эффекты ионизации в возмущенной области Р- (и Е-) слоя /100−101/, эффекты переноса модуляции ВН на ПВ, происходящие в Fслое /50,64−66/, применение в качестве ПВ сигналов с линейной частотной модуляцией открывает новые возможности в исследовании явления^spr-eacL 0 т.д.

Метод ракурсного рассеяния радиоволн.

Явление ракурсного рассеяния радиосигналов, использованное для ионосферных измерений Г. Дукером еще в начале пятидесятых годов, состоит в следующем /50/.

Если на область,'содержащую неоднородности диэлектрической проницаемости ?, бесконечно вытянутые вдоль определенного направления (в случае ионосферной плазмы — вдоль геомагнитного поля Н0), падает радиоволна, то энергия волн, рассеянных неод-нородностями 8, сосредоточена на поверхности так называемого ракурсного конуса. Ракурсный конус находится из условия равенства между собой проекций волновых векторов падающей () и рассеянных (Ц) волн на направление. Если неоднородности имеют большие, но конечные размеры Ем (вдоль Н^), то волновые векторы рассеянных волн распределены в некоторой окрестности поверхности ракурсного конуса. В приближении однократного рассеяния радиоволн на неоднородноетях гауссовой формы плотность потока энергии рассеянных волн убывает в раз при угловом удалении ^ от поверхности конуса на величину.

Afa-t*- i <*-l?AHe т otl"8LM ' |k0l °.

Пересечение поверхности конуса, содержащего векторы kg, с поверхностью Земли оцределяет ракурсные зоны, в которых могут быть приняты рассеянные радиосигналы'. В свою очередь, для каждой точка приема существует целая зона возможного размещения т-лучавдих передатчиков, В результате образуются такие сопряженные системы ракурсных контуров, что радиосигнал, посланный из любой точки определенной зоны, может быть принят в любой точке сопряженной ей зоны, В этой системе ракурсных зон существует один сопряженный контур — контур обратного рассеяния, когда соответствующий пересечению с поверхностью Земли вырожденного в диск ракурсного конуса (рис.П I), Функцию корреляции анизотропных флуктуаций плотности можно представить в виде произведения продольной и поперечной функций корреляции:

Р’ИцООШ.

Пространственный спектр таких флуктуаций имеет вид:

Например, Для гауссовой корреляционной функции.

— II.

Гц.

1Х.

III.

— &-хр а, 1.

Интенсивность рассеянного сигнала пропорциональна сечению рассеяния возмущенной области $, которое определяется спектральной плотностью флуктуации.

• Если интенсивность неоднородностей в возмущенной области считать распределенной по гауссу = М' ехр

У о1 s.

IT U г где, ^ - поперечные координаты в горизонтальной плоскости, а ^ - координата, отсчитываемая по вертикали, начало координат находится в центре ВО, то можно показать, что для рассеяния, близкого к обратному: у.

Рис. n,{.

6(w у, **5М for*.

Здесь Q — угол наклона зеркальной поверхности (геометрического места точек в ВО, где выполняются условия ракурсного рассеяния =) относительно горизонтали, R — расстояние от радара до центра ВО, =.

Из полученного выражения следует, что сечение рассеяния.

1> - &-Х.

ВО для радиоволн с волновым вектором *о~ = Jg определяется интенсивностью неоднородностей с характерным масштабом р. тг j. Изменяя длину волны зондирующего ВО радиоизлучения можно исследовать различные компоненты пространственного спектра флуктуаций плотности плазмы. Это свойство называется селективностью ракурсного рассеяния.

Сечение рассеяния ВО в экспериментальных измерениях определяется нами по обычной радиолокационной формуле по мощности принимаемого сигнала.

А — нацряжение на входе приемников, a R — входное сопротивление):

А2 М Г ¦

R РЛМ' где Р. Б — эффективная мощность излучения зондирующего ВО радиопередатчика, (LDкоэффициент усиления приемной антеноч0.

ФПЛТГО ^ Пр ны, fj fy — расстояния от передатчика и приемника до ВО, Г — учет ослабления зондирующей радиоволны на трассе.

Метод стимулированного излучения ионосферы.

Стимулированное излучение является продуктом обратной трансформации искусственных плазменных волн в электромагнитное излучение, имеющее полосу частот порядка нескольких десятков килогерц около частоты ВН /21−24/. Явление стимулированного излучения благодаря своей природе позволяет изучать некоторые.

Нехарактеристики высокочастотной плазменной турбулентности — плазменных волн. Подробнее сущность этого явления и применение его как метода обсуждена в разделах 3,4.

Необходимо отметить, что вариация при воздействии на ионосферу параметров мощного радиоизлучения, таких, как поляризация, мощность, временной режим работы и т. д., являлась способом, расширяющим эффективность перечисленных выше методов.

Краткое описание использованной аппаратуры.

Эксперименты по возмущению ионосферы, в ходе которых были получены результаты, приведенные в диссертации, проводились преимущественно с использованием нагревного устройства «Зимен-ки», расположенного в 20 км к востоку от Горького и имеющего эффективную мощностьизлучения Р^= Р0 G| 30 МВт в непрерывном режиме работы и Р. а* 50 МВт при излучении коротких.

ТТ р импульсов с % ^ 8 мс (Р0 — мощность радиопередатчика, q коэффициент усиления зенитной антенны, примерно равный 150).

Ионосфера облучалась вертикальным пучком радиоволн обыкновенной и необыкновенной поляризации на двух фиксированных частотах 4,6 и 5,75 МГц. Более подробное описание параметров стенда дано в /64/. В ряде случаев, о которых отмечено особо (п. 2.1) использовался нагревннй стенд «Сура», имеющий эффективную мощность Р^ У- 160 МВт и возможность перестройки по диапазону частот от 4 до 10 МГц ДОЗ/. Кроме этого, нами были проведены предварительные исследования эффектов воздействия на ионосферную плазму мощным радиоизлучением в условиях низких широт. Использовался стенд «Гиссар», расположенный вблизи г. Душанбе с эффективной мощностью Р. ^ 10 МВт (Pn ^ 120 кВт, щ.

• -<55*.

В качестве источника пробных волн в разных случаях использовалось как непрерывное, так и импульсное излучение передатчиков, расположенных в непосредственной близости к нагревному стенду. Характеристики ПВ в каждом конкретном случае даны в соответствующих разделах диссертации.

Прием отраженных от ионосферы сигналов ВН и ПВ проводился, как правило, в 20 км от пункта излучения, что обеспечивало ослабление земной волны по сравнению с «небесной» на величину, превышающую 30 дБ при использовании простой приемной антенны с круговой диаграммой направленности. На расстоянии 1,5 км от стенда «Зименки» располагался второй приемный пункт, где Зля исследования отраженных от Р-слоя сигналов использовалась поляризованная высоконаправленная антенна с вертикальной диаграммой направленности, обладающая коэффициентом усиления Ej ^ 200. Применение такой антенны обеспечивало превышение небесной волны над земной на величину, превышающую, как правило, 10 дБ. Кроме того, цроводились исследования отраженных от ионосферы сигналов при удалении приемного пункта болеечем на 100 км вдоль и поперек геомагнитного меридиана.

Сигнал с антенны проходил через поляризационный блок, разветвлялся и поступал на входы приемников Р250М2 и РПУ «йпран». Динамический диапазон приемной аппаратуры составлял (по отдельным каналам) 60 * 80 дБ. После усиления сигналов в приемниках проводилась фото: егистрация их с экрана осциллографа и, парал лельно, сигнал детектировался и регистрировался на ленте быстродействующего самописца. Временное разрешение фоторегистрации составляло 50 + 80 мксек, а регистрации при помощи самописца — 10 мсек. При необходимости два типа регистрации можно было сопоставить и произвести совместную обработку. Такой способ обработки, а также примененный позднее способ регистрации при помощи двухлучевого осциллографа с разной скоростью развертки по лучам, позволил детально исследовать сигналы ВН, несущие информацию о процессах с-характерными временами от 0,1 мс и более.

Ракурсное рассеяние исследовалось наш при зондировании возмущенной области ионосферы радиосигналами в диапазоне 10 * •г 175 МГц. Использовались различные радиотрассы, приемные пункты располагались в г. Белинский Пензенской области, п.г.т. Илов-ля Волгоградской области и вблизи г. Темрюк, Краснодарского края (основной пункт). Прием сигналов осуществлялся-на антенны типа ромб (КВ-диапазон) и синфазные решетки, собранные из нескольких трех-, пятиэлементных вибраторов. Приемная аппаратура включала, в себя стандартные приемники P-3I3, Р-323, Р-250М2, сигнал с которых после детектирования регистрировался при помощи самописцев Н3020−5 или Н338−6П. 0 точности измерений.

В проведенных экспериментах точность измерений, в. основном, определялась погрешностями калибровок. Ошибка измерений была меньше или порядка 10 $. Существенно большие вариации измеряемых величин были обусловлены флуктуациями принимаемого радиоизлучения. Для исключения влияния естественных флуктуаций проводилось усреднение полученных результатов для ряда последовательных циклов возмущения ионосферы с последующим их общим усреднением. При этом разброс результирующих экспериментальных точек. первый и третий КВ&ртМИ, соответственно), как правило, сос.

Такая методика усреднения наиболее часто использовалась при обработке экспериментальных данных и, если в тексте не указывается характеризуемый величиной Р (тавлял не более 30 $ от медианного значения измеряемой величины особо, подразумевается именно такая точность измерений.