Главная >  Распространение электромагнитных волн 

[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186

Распространение электромагнитных волн естественного происхождения около Земли или в межпланетной плазме в строение ионосферы - области физики, тесно связанные между собой. Ионосфера важна как для изучения волн на самых высоких частотах радводиапааона (ультракоротких и даже сантиметровых волнах), так для длинных и сверхдлинных волн частотой в сотни, десятки или единицы герц. В то же время щ)и изучении самой ионосферы, как плазмы, окружающей Землю, исключительно велика роль радиоволн. Большую часть сведений о структуре ионосферы и происходящих в ней физических явлениях дал анализ различных эффектов, наблюдаемых при распространении радиоволн. В последние годы в етих исследоваввях все большее значение начинают приобретать электромагнитные волны, возбуждаемые такими естественными источни-ками.как хрозы BABjBOJiHbi, возбуждаем.нё Б, приземной njrase. Их роль, по-видимому, будет в дальнейшеиеще больше, особенно при изучении межпланетной среды или ионосфер друшх планет.

Рассматривая множество данных, связанных с изучением ионосферы, мы видим обычно, как тесно переплетаются причина и следствие явления, т. е. те или иные свойства плазмы и сопутствующие явления в распространении алектромагнитных волн. Поэтому описание различных явлений, наблюдаемых в ионосфере, нецелесообразно, а часто невозможно без анализа свойств волн, с помощью которых они получены. По этой причине в большинстве разделов этой части данные об ионосфере рассматриваются не изолированно а в связи с соответствующими явлениями, наблюдаемывш при распрострапевии электромагнитных волн, с помощью которых они получены. Множество данных об ионосфере, особенно в последние годы, получено благодаря широкому использованию искусственных спутников Земли (ИСЗ) в высотных ракет и с помощью методов, не связанных с распространением радиоволн (например, с помощью зондов типа Ленгмюра, масс-спектрометров, резонансных зондов и т. п.). Эти данные по возможности используются, однако, без рассмотрения существа экспериментальных методов.

Представление об ионосфере во многих отношениях имеет стройный и законченный характер, и многие разделы поэтому вряд ли подвергнутся в будущем изменению. Однако ряд вопросов мало исследован, и они находятся лишь в стадии становление. Такие фун-даневтальвые проблемы, как образование ионосферы процессы в переходной области между новосферой и межплапетной средой, механизмы облакообразования и возбуждения волн далеко еще не решены и имеют ряд пробелов и противоречив



ГЛАВА ПЕРВАЯ

СТРУКТУРА ИОНОСФЕРЫ. РАДИОМЕТОДЫ ЕЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рассмотрены вопросы строения нижней и внешней частей ионосферы (до ее границы с магнитосферой) и радиометоды исследования этих областей. Наряду с общими закономерностями высотного распределения электронной концентрации, рассмотрены данные об облачной структуре ионосферы, происходящих в ней движениях и ее статистических свойствах. Все приведенные данные получены в экспериментах, в которых использованы радиоволны и частично электромагнитные волны естественного происхождения. Приводятся образцы первичных результатов измерений, что позволяет более непосредственно вникнуть в характер опытов. Анализируются основные принципиальные стороны методов измерений, без чего изложение в ряде случаев было бы неполным. В различных измерениях используются волны, диапазон частот которых изменяется от единиц до сотен миллионов герц. При описании соответствующих методов рассматриваются свойства коэффициентов преломления и затухания и некоторые свойства волн в ионосфере во всем диапазоне частот.

§ 1. ВЫСОТНО-ЧА)БТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОНОСФЕРЫ

Первые прямые опыты Эпплтона, а также Брайта и Тюва, доказавшие существование ионосферы, относятся к 1925г., когда было обнаружено отражение радиоволн от областей атмосферы, расположенных примерно на высоте 100 км над земной поверхностью . Вскоре после этих опытов было установлено таким же образом появление отражений от высот около 200 км и выше. Эта двухслойность ионосферы обнаруживалась при измерениях на фиксированных частотах в сумерки или в период восхода Солнца, когда время запаздывания сигналов изменялось скачкообразно при переходе отражение от одной области к другой (рис. 1.1). Значительное изменение/времени запаздывания сигнала, или действующей высоты z,зарегистрированное до восхода Солнца, было вызвано тем, что в более ранние часы частота волны была близка к критической частоте и увеличивалось время Ai группового запаздывания сигнала .

Дальнейшие исследования на фиксированных частотах показали, что иногда появляется множество отраженных сигналов, свидетельствующих о сложности структуры ионосферы.

Разобраться в этих данных удалось лишь после того, как были начаты непрерывные измерения действующих высот z в зависимости от частоты,

1 В 1878 г, Стюарт высказал предположение о существовании верхних ироводящих слоев атмосферы, основываясь на периодических изменениях магнитного поля Земли. В 1889 г. эту же гипотезу разработал Шустер, а в 1902 г. Кеннели и Хевисайд высказали аналогичное предположение для объяснения распространения радиоволн на больпше расстояния.

За несколько лет до этих опытов М. В. Шулейкин (151 по наблюдениям за приемом радиовещательных станций показал расчетным путем, что высота отражения ночью должна быть порядка 260 км.



I 300 § 200 700



.Восход Солнца I (на Зеше)

l j 1-l

5110 гоО 8,20

Местное Время

Рис. 1.1. Высотпан характеристика ионосферы

Результаты наблюдений во время восхода Солнца на частоте 2 Мгц. По оси ординат отложено время группового запаздывания сигналов М, выраженное через г




Рис. 1.2. Дублеты сигналов, обусловленные двойным лучепреломлением ионосферы

Осциллограмма в снята в условиях, когда второй сигнал (обыкновенный) отражался вблизи максимума электронной концентрации F2, что

вызвало уширение сигнала. Расстояние между метками времени па осциллограммах 100 км

Т. е. применена импульсная методика снятия ионограмм высотно-частотных характеристик ионосферы; скорость съемки таких характеристик в современных установках достигает нескольких секунд.

Еще до этих опытов при измерениях на фиксированных частотах были обнаружены дублеты отраженных от ионосферы сигналов (рис. 1.2), обусловленные ДВОЙНЫМ лучепреломлением в ионосфере ./Это расщепление падающей волны на обыкновенную и необыкновенную вследствие влияния магнитного поля Земли позволило сразу же сделать важный вывод о том, что электроны есть основной агент, участвующий в распространении радиоволн через ионосферу. Если бы это были ионы, то обнаружить двойное лучепреломление было бы трудно вследствие малости гироскопической частоты ионов eff/Mc, определяющей взаимное з1паздывание обоих сигналов.

Чтобы понять, как быки получены и истолкованы результаты соответствующих опытов, остановимся кратко на описании импульсного метода исследования ионосферы Ина теоретической интерпретации результатов таких измерений.

1. Импульсные методы исследования ионосферы

Импульсный метод сыграл большую роль в исследованиях ионосферы. Основные дашше о структуре нижней части ионосферы до высоты ее главного максимума Nj F2 были получены с помощью импульсйых радиоустановок-



[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186