Читать онлайн «Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей»

В. В. БелиИович. Е. А Бенедиктов, А В. Толмачева. Н. В. Бахметьева ИССЛЕДОВАНИЕ ИОНОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ ИСКУССТВЕННЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕИ Условные обозначения Латинский алфавит С - скорость звука Ct = \/к(Тс + Ti)/Mi - скорость ионного звука с — скорость света D = к(Те + Т{)/{тццт) - коэффициент амбиполяриои диффузии Е - напряженность электрического поля Ер = ^/ЗткТ<5(ш2 + и2)/е2 - плазменное поле е - заряд электрона F - частота следования радиоимпульсов F - стрикционная сила / - частота радиоволны /о = \/е2 N/ir тп - плазменная частота G - коэффициент усиления антенны 5 - ускорение силы тяжести Но - высота однородной атмосферы h — высота h0 - высота отражения мощной радиоволны К' = 2к - волновое число стоячей волны к = 27г/А — волновое число радиоволны в среде ко = 2-тг/Ао - волновое число радиоволны в вакууме L = у/кТе/тп51/2 - масштаб температуропроводности Л/+, М~~ — концентрации положительных и отрицательных ионов m - масса электрона Tic - масса частиц сорта or N - концентрация электронов 71 - коэффициент преломления 71°, 71х - коэффициенты преломления для обыкновенной и необыкновенной волн Р - мощность передатчика р - давление Q - функция ионообразования Л - коэффициент отражения радиоволны от ИПН го - входное сопротивление приемника 5 - эффективная площадь приемной антенны Т - температура молекул Т - период колебаний Те, Т; - температуры электронов и ионов U - напряжение на входе приемника и = шд/ш - безразмерный параметр V — скорость вертикального движения плазмы Vt - средняя скорость турбулентных движений v - скорость электронной компоненты плазмы v = Шд /ш2 - безразмерный параметр VTa ~ средняя тепловая скорость частиц сорта а W - плотность вероятности распределения скоростей в объеме рассеяния х = (w±wL)/vrn Y~, Z~ - концентрации долгоживущих отрицательных ионов Греческий алфавит а - коэффициент рекомбинации электронов с ионами а - угол падения радиоволны на ИПН аэф - эффективный коэффициент рекомбинации электронов а, - коэффициент взаимной рекомбинации положительных и отрицательных ионов Р - скорость образования отрицательных ионов Г — интегральное поглощение радиоволны в ионосфере "7 — скорость отлипания электронов от отрицательных ионов 1 = cp/cv - показатель адиабаты Л - приращение какой-либо величины S - средняя доля энергии, теряемая частицей при соударении £ - диэлектрическая проницаемость среды в — угол между направлением магнитного поля и волновым вектором радиоволны к - постоянная Больцмана ке = kNT/(mv) - теплопроводность электронного газа Л = А/2 - длина стоячей радиоволны и период ИПН Л - длина радиоволны в среде Ло - длина радиоволны в вакууме Л = [M~]/N — отношение концентраций отрицательных ионов и электронов v — эффективная частота соударений электронов i/em, uej — частота соударений электронов с молекулами и электронов с ионами соответственно i/;m - частота соударений ионов с молекулами vam - частота соударений частиц сорта а с молекулами р - плотность атмосферы сте = е2N и 1\т(ш2 + i^2)] - электронная проводимость т - время релаксации ИПН Td, Tti Tr - время релаксации ИПН, обусловленное диффузией, турбулентностью и рекомбинацией соответственно Ф — ф° — фх - разность фаз сигналов обыкновенной и необыкновенной компонент ф - фаза волны X - зенитный угол Солнца П - круговая частота ионного звука Пд -- частота Брента-Вяйсяля ш = 27г/ - круговая частота ШН \ шНа ~ гирочастота электронов и частиц сорта а шь = шн cos 0 ~ продольная компонента гирочастоты электронов шо = \/4 7г в2 N/m - плазменная частота Сокращения АЦП - аналого-цифровой преобразователь БПФ - быстрое преобразование Фурье ВГВ - внутренние гравитационные волны ВЗ - вертикальное зондирование ИПН — искусственные периодические неоднородности плазмы КПД - коэффициент полезного действия МЧО - метод частичных отражений ЭВМ - электронная вычислительная машина Обозначения, встречающиеся однократно, не приводятся. Введение Впервые мысль об образовании периодических неоднородностеи в нижней ионосфере под действием мощной стоячей радиоволны была высказана И. М. Виленским [49]. Он предполагал, что эти неоднородности являются неоднородностями температуры электронов. Затем в более поздней работе И. М. Виленского и В. В. Плот- кина [51] была рассмотрена возможность образования неоднородностеи электронной концентрации вследствие зависимости эффективного коэффициента рекомбинации от температуры электронов. Т. Н. Селига в работе [108] указал на возможность создания искусственных периодических неоднородностеи плазмы при отражении мощной радиоволны от F-области ионосферы, однако не рассмотрел конкретных механизмов их образования. Эти теоретические работы положили начало новому направлению исследований физики ионосферной плазмы, связанному с образованием в ней искусственных периодических неоднородностеи (ИПН). Новый импульс к исследованиям ИПН был дан экспериментами по модификации ионосферы мощным высокочастотным радиоизлучением. В Нижегородском научно-исследовательском радиофизическом институте (НИРФИ) это направление исследований было инициировано Г. Г. Гетманцевым. Под его руководством с целью изучения воздействия мощного радиоизлучения на ионосферную плазму в 1975 г. был создан нагревный стенд "Ястреб", а через несколько лет стенд "Сура", вошедший в список уникальных установок России. В 1975 г. было обнаружено, что при воздействии на ионосферу радиоизлучением обыкновенных радиоволн с частотой 4,6 МГц наблюдается дискретное рассеяние пробных радиоволн необыкновенной поляризации в узком интервале высот F-области ионосферы. Авторы интерпретировали это явление как рассеяние от ИПН [18]. В последующих экспериментах было показано, что ИПН формируются в поле стоячей волны, возникающей вследствие интерференции падающей на ионосферу и отраженной от нее волн, в высотном интервале от ~ 60 км до точки отражения мощной радиоволны от ионосферы. Благодаря теоретическим и экспериментальным исследованиям, проведенным в НИРФИ [30, 25, 26, 27], удалось понять основные физические процессы, приводящие к образованию ИПН. Оказалось, что в разных слоях ионосферы образование ИПН определяется совершенно различными процессами. Так, в области F причиной образования периодических неоднородностеи является стрикционная сила, в области Е они создаются под действием избыточного давления электронной компоненты плазмы, нагретой в пучностях стоячей радиоволны. В области D процесс образования ИПН обусловлен изменением скоростей аэ- рономических реакций, в частности ростом коэффициента прилипания электронов к молекулам кислорода.