Понятие груниовой скорости, как уже отмечалось, вводится как скорость распространения огибающей пакета воли чисто из кинематических соображений (см., например, 1191). Как скорость распространения сигнала, она должна характеризовать также скорость переноса его энергии. Для диспергирующих сред скорость персыоса энергии была полулена впервые в работе [2621, где было показано

-i, (1.36)

где - средняя за период плотность потока энергии вдоль направления

распространения волны; w - средняя объемная плотность энергии на несущей частоте.

В ионосфере

(1.37)

и если воспользоваться известным для диспергирующей изотропной непоглощающей среды выражением [263]

- 1

16т:

(1.38)

где звездочка означает комплексную сопряженность, и магнитная проницаемость в общем случае предполагается равной {а(( ) (в ионосфере fA=l), то пепосредственпо получается

(1.36а)

В поглощающих средах и, следовательно, в ионосфере, когда ффО, форму.ла (1. 36а) но выполняется. Для определения скорости переноса энергии необходимо в каждом отдельном случае вычислить среднюю объемную плотность энергии W. Часто это бывает сложной задачей. Она решается просто лишь для отдельных случаев (см. {264, 265]). В ионосфере, без учета магнитного поля, например, 1248]

(1.366)

1 +2

[см. (1. 34)].

При учете магнитного поля Земли, т. е. когда среда магнитоактивпа и анизотроипа, волповое число является тензором, вследствие чего волновой вектор (нормаль к фронту волны) не совпадает более с направлением переноса энергии волны (вектор Пойптинга). Групповая скорость вычисляется теперь уже более слолным образом из выражения, аналогичного (1. 28):

(1.36в)

где a=cos(/aco); p-cos {hyQ);=cos{hsi(), и ее направление (лучевой вектор) ае совпадает с направлением к - вектором фазовой скорости. Соответствующие вычисления 1211 без учета числа столкновений приводят к тому, что модуль групповой скорости

<3ы

cos {ки) *

(1.36г)

д {ып)1д (w)

dU W

1 -

(1.38а)

где (1. 38а) - сумма по всем компонентам Е?, II и тензора

3. Интерпретация высотно-частотных характеристик

Теперь, основываясь на изложенных физических представлениях, можно перейти к анализу высотно-частотных характеристик регулярного типа.

Уже первые высотно-частотные характеристики, снятые с помощью установок ручного управления, показали, что при скачкообразном переходе отражений от высот порядка 100 км (область Е) к высотам 200 км и более (область F) в некоторых условиях наблюдается частотная зависимость действующей частоты г, свидетельствующая о сложном изменении электронной концентрации.

Из высотно-частотной характеристики, изображенной на рис. 1.9, следует, что наряду со скачкообразным изменением z (на частоте Мгц), вызванным переходом отражений от одной области ионосферы {Е) к другой (F), наблюдалось: 1) раздвоение сигнала в области F (на рисунке видны две независимые ветви кривых); 2) максимумы z при некоторых значениях частоты; 3) исчезновение дублета сигналов, сопровождающееся крутым ростом z.

Такой ход z легко объяснить. Прежде всего видно, что в этом опыте уже у основания области F наблюдалось двойное лученреломление. Далее, электронная концентрация N, возрастая с высотой, имела два максимума

(F1 и 12), в окрестности которых и должно было увеличиваться время распространения сигналов на частотах, близких к критическим частотам / Fl и/*F1 обыкновенной и необыкновенной волн, что и приводило к росту z. За максимумом F\ электронная концентрация iV, по-видимому, плавно и быстро перешла через минимум, поэтому в этом месте характеристики скачок z незаметен. В области же максимума jF2 на частотах, равных критическим частотам fF2 и fF2 обыкновенной и необыкновенной волн, ветви кривых z резко возрастали, так как с ростом частоты / ионосфера становится прозрачной для обеих волн.

Ве.т1ичины /* F1, fFl и / 2, fFZ при использовании формул (1. 16) и (1. 17) непосредственно определяют электронную концентрацию обоих максимумов и напряженность магнитного поля в области соответствующих высот.

Интересно также рассмотреть рис. 1.10, который отличается от рис. 1.9 тем, что в этом опыте распределение электронной концентрации и расположение обоих максимумов области F было другим, чем и объясняется иное взаимное расположение обеих ветвей высотно-частотной характеристики.

- формула групповой скорости в изотропной среде (правда, здесь под п понимается полное его выражение (1. 8) с учетом JEl\

- косинус угла между волновым и лучевым векторами; 6 - угол мсдаду волновым вектором и направлением магнитного поля Земли 1см. (1. 8)1.

Из формул (1.36г) и (1. 37а) следует, что групповые скорости обыкновенной и необыкновенной волн не совпадают как по величине, так и по направлению.

В анизотропной неноглощающей среде, как показано в работе [266], справедлива теорема, аналогичная (1.36а):

2;0 3,0 4,0 5.0 Частота Мгц

г,о 3,0 им 5,0

Частота, Мгц

Рис. 1.9. Зависимость действующей высоты от частоты

(о) - сигналы обыкновенной волны; (эс) - сигналы необыкновенной волны

Рис. 1.10. Высогно-частотная характеристика, когда наблюдались обыкновенная (о) и необыкновенная {х) волны в трех областях ионосферы (Е, F\ и F2)

В этих измерениях двойное лучепреломление наблюдалось также в области Е. На характеристике явно выражено увеличение действующей высоты z Б окрестности критических частот/ Д и fE не только сигналов, отраженных в области максимуьга, но и проходящих через нее волн, отражавшихся в области F\. Ветви соответствующих кривых дополнены па рисунке пунктиром на тех частотах, на которых не принимались отраженные сигналы. Отсутствие этих сигналов связано, возможно, с тем, что их интенсивность сильно упала и они маскировались помехами, что часто наблюдается при приеме необыкновенной волны на частотах 2-4 Мгц.

Несмотря на то, что уже в первых опытах из анализа зависимости z от частоты вытекало существование одного максимума электронной концентрации на высотах z 100 -г 120 км и двух максимумов в области высот Z 200 -г 300 км, разобраться в многообразии отражаемых ионосферой радиосигналов удалось лишь после автоматизации методики этих наблюдений. В результате было установлено, что часто множественность сигналов объясняется многократными отражениями от различных областей.

Иопограммы, изображенные на рис. 1.11-1.14, иллюстрируют такие случаи. На рис. 1.11 видны двух-, трех- и четырехкратные отражения только от области F. Поскольку эта характеристика снята ночью, то раздвоение F на Fi и F2 не наблюдалось. На другой характеристике (рис. 1.12) сняты многократные отра5кения дублета сигналов от области F2. Следы двукратных отражений от областей Fi и F2 изображены на рис. 1.13, а в случае, показанном на рис. 1.14, наблюдались семикратные отражения от области F2.

Как уже указывалось, многочисленные измерения показали, что активными носителями заряда, участвующими в передаче радиоволн в области F2, являются электроны. При этом вследствие магните активной анизотропии ионосферы, приводящей к двойному лучепреломлению, высотно-частотные характеристики имеют здесь две ветви. На основе большого количества экспериментальных данных установлено, что в области Е (высоты 90-HQ км) активными зарядами также являются электроны. Двойное лучепреломление в данном случае наблюдается реже, что объясняется двумя причинами: 1) большой градиент электронной концентрации ниже максимума Е и малая толщина этой области приводят к малым разностям времен запаздывания обыкновенной и необыкновенной волн, вследствие чего дублет сигналов не