800 -

600 -

800 WOO 1ZD0 I

J 1 11.1111,1,

i-I-I I I I.I 1-1 I I I I I I 11

Ю 10

Электронная концентраиир N,cm

Рие. 4.17. Высотныезависимости Г,-, TjTi, Nj, N, No и iV,-, полученные методом некогерентного рассепния радиоволн

TJTi значительно возрастает днем и сильно отличается от единицы (достигает 3-4). Этот важный результат впервые был получен именно в опытах по некогерентному рассеянию радиоволн.

Аналогичные зависимости TJT показаны на рис. 4.17 [333], где также приведены одновременно зависимости концентрации ионов различного сорта.

§ 5. ТОНКАЯ СТРУКТУРА ИОНОСФЕРЫ

Итак, мы видели, что в ионосфере образуются крупномасштабные ионизованные неоднородные образования с линейными размерами во много десятков и сотен километров, а также скопления ионизовашшх облаков размером лишь в несколько километров, охватывающие протяженные области и образующие даже спорадические слои.

Структура поля радиоволн, отраженных от ионизованных образований и облаков, естественно, усложняется. Вместо единичного падающего на нее импульса в ряде случаев в точке приема, регистрируется множество сигналов (см. например, рис. 1.26), отражаемых отдельными облаками (рис. 5.1 б). Эта картина изменяется во времени, поскольку каждое единичное ионизованное образование не может длительно существовать в плазме в неизменном состоянии, особенно когда оно невелико. Неоднородное образование рассасывается равномерно или колебательным образом в зависимости от различных условий и состояния плазмы, Структура самих неоднородностей и состояние поля принимаемых волн изменяется вследствие общего перемещения ионизованных неоднородностей (дрейфа) относительно точки наблюдения.

В случае гладкой, нешероховатой ионосферы поле отраженных волн формируется областью, линейпый размер которой Ропо порядку величины равен первой зоне Френеля:

РрЛх/Х, (5.1)

где Z - высота отражающей области, а ее толщина порядка длины волны X. Легко заметить, что в нижней ионосфере, в используемом обычно для ее исследований диапазоне волн X 25-7-200 м, примерно равен от 2 до 8 kjw. При этом отраженные сигналы уширяются в этих условиях главным образом за счет дисперсии, что заметно лишь в области критической частоты (см. рис, 1.2). Если же в ионосфере имеются облака, поле отрлженных волн формируется уже несколькими пучками волн, оно состоит из накладываемых друг на друга множества сигналов так, как это видно, например, на рис. 1.26.

Однако радиоисследования ионосферы показали, что даже в отсутствие заметного разделения или уширения единичных отраженных радиосигналов, когда можно думать, что ионосфера находится в спокойном невозмущенном состоянии, отражающая область все же состоит из мелкомасштабных непрерывно сменяющихся и изменяющихся неоднородных образований (см. рис. 5.1, а), линейные размеры которых по-видимому, значительно меньше ро, что приводит к быстрой и.зменчивости поля принимаемых волн. Так было вскрыто, что ионосфера имеет тонкую структуру и пришли к представлению о статистической ее природе [353, 354]. Использование такого подхода к рассмотрению результатов радиоисследований ионосферы в дальнейшем позволило найти методы для определения не только размеров 1 мелкомасштабных неоднородностей, но и для исследования хаотической скорости их движения, флуктуации их электронной концентрации bN, угловых спектров пучка волн Ь, степени мутности ионосферы р. Применение корреляционного метода для анализа результатов таких измерений привело в дальнейшем к еще более глубокому и детальному исследованию неоднородной структуры ионосферы и происходящих в ней хаотических и регулярных движений [35, 36, 39-61, 353-358].

Следует, однако, подчеркнуть, что облачная модель ионосферы, т. е. существование в ней изолированных образований, в которых электронная концентрация отличается от невозмущенного значения ъ окружающей среде, вовсе не является единственной моделью, объясняющей рассматриваемые явления. Эта модель делает лишь конкретными и наглядными ряд рассуждений. Можно, например, полагать, что рассеяние часто происходит на продольных колебаниях плазмы. Тогда линейные масштабы неоднородностей

Рис. 5.1. Схематическое изображение структуры ионосферы

а - единичная отражающая область, формирующая в точке наблюдения единичный отраженный сигнал; б - состояние ионосферы, при котором наряду с мелкомасттаб-ными неоднородностями имеются неоднородности большого размера

будут определять длшш продольных волп Л, хаотичные скорости, доп-плероБСкое смещение частоты Аш, затухание колебаний т и т. д. Удобнее, однако, выбрать облачную модель структуры ионосферы. Тем более, что из ряда опытов, например исследований ветров в ионосфере, следует, что в ионосфере действительно часто образуются именно мелкомасштабные изолированные неоднородности.

1. Статистический характер отражения радиоволн

от ионосферы

Непосредственные наблюдения за амплитудой R отра?кенных от ионосферы сигналов показали, что она быстро изменяется во времени. Если отраженный импульс соответствует началу высотно-частотной характеристики ионосферы, т. е. таким частотам, на которых еще незаметно двойное лучепреломление, то сигнал, вообще говоря, состоит из двух сливающихся импульсов - обыкновенного и необыкновенного - и колебания его амплитуды, в частности, объясняются так называемым поляризационным федингом т. с. интерференцией этих двух независимых волн, разность, фаз которых изменяется вследствие изменения места отражения каждой из них.

Однако опыты показывают, что амплитуда единичного сигнала, т. е. обыкновенного и необыкновенного, принимаемого на частоте, на которой имеются две ветви высотно-частотной характеристики, также сильно изменяется. Темп и характер этого изменения различны в разных опытах, так что в некоторых случаях, амплитуда R изменяется даже через доли секунды. Некоторые результаты таких измерений видны, например, на рис. 5.2 и 5.3.

На рис. 5.2 приведен ряд последовательных снимков дублета сигналов (обыкновенного и необыкновенного), отражающихся от слоя F2 и снятых через сек. От кадра к кадру (см. порядковые номера кадров) заметно изменение амплитуды каждого из сигналов; за период съемки значение i? переходило от максимума к минимуму примерно через каждые 2 сек.

Различного типа измерения R {t) видны на рис. 5.3, на котором для отрезков времени в 30 сек нанесены точками значения R, измеренные через каждые 1сек. Часто в течение нескольких минут характер R (t), т. е. темп, глубина и вид амплитудной кривой изменяются.

Многочисленные опыты по1 азали, что такие нерегулярные изменения i? (t) наблюдаются почти постоянно. Обработка их результатов привела к заключению, что поле отраженных от ионосферы радиоволн имеет статистический характер.

Электромагнитное поле Е (t) каждого единичного сигнала можно рассматривать как результат суперпозиции регулярной волны Е cos (lot - %) и большого количества элементарных волн

2£,cos( ),£~cpJ (5.2)