1, Метод частичного отражения радиоволн от основания

ионосферы

Наблюдения за отражением радиоволн, начиная от самого основания ионосферы, были начаты уже много лет назад [525]. Но решающий прогресс в этих опытах произошел после того, как были начаты одновременные измерения амплитуд Аи Л* обыкновенной и необыкновенной волн, отражен-пых на различных высотах, и было предложено использовать их результаты для определения высотной зависимости электронной концентрации iV (z) [524].

Отношение амплитуд обыкновенной и необыкновенной волн равно

~ R°

-2 J [х*)--] dl

{10.1)

где R°\ х и х** - соответственно коэффициенты отражения и

затухания этих волн.

Измеряя отношение Л/Л* постепенно через интервалы высот Дг, при известных условиях можно определять N (z). Действительно, йз (10.1) следует, что при переходе от высоты z к высоте (z--Az) для интервала высот Az

Легко заметить, что даже при использовании достаточно точных и полных формул коэффициентов преломления ионосферы (см. гл. 1) [526], что необходимо для полноценной обработки результатов соответствующих измерений, знаменатель (10.2) приводится к функции, зависящей только от высотной зависимости числа столкновения электронов v (z). Поэтому, если задана эта зависимость и рассчитывается теоретически для заданной модели отношение из (10.2) определяется значение N (z). Такой метод используется в соответствуюпщх опытах. Для его реализации требуются, однако, достаточно точные измерения амнлитуд, которые изменяются быстро с высотой (даже на три порядка), мощные передающие устройства (50-100 кет), хорошие антенные устройства, а также выполнение довольно слозкиой численной программы обработки формулы (10.2) и расчета коэффициентов преломления и отражения [486, 527-529].

Существенная трудность, возникающая при обработке результатов измерений, ограничивающая их точность и однозначность, состоит в том, что не учитываются неизвест1ше значспия вариации Av/v относительно задаваемой обычно средней зависимости (z). Кроме того, нерегулярности в распределении N также заметно нарушают точность измерений амплитуд отраженных сигналов, что ограничивает область высот, в которой хорошо действует этот метод. Показано, что верхним пределом высоты, где еще эффективны эти опыты, является значение zlOO км.

В ряде случаев амплитуда отра?кенных сигналов вообще ничтожно мала (например, на низких широтах и в полярных районах), что не позволяет получать искомую информацию об N (z). Метод частичного отражения радио-

ВОЛН, излучаемых с высотных ракет [484, 498]. В последние годы получили существенное развитие и другие назеьшые давно уже предложенные радиометоды исследования области D. По-видимому, в будущем они будут основным средством для систематических наблюдений за основанием ионосферы и его изучения. Ббльшая часть приведенных в этом параграфе данных получена в последние годы именно с помощью этих методов.

Рис. 10.1. Зависимость электронной концентрации от высоты основания ионосферы

а - сравнение зависимостей N (г), полученных одновременно в Черчилл 27 мая 1965 г. (9=58,8С, Х=94° 3, I--1-83,9°) методом частичного отражения (1) и методом разностных измерений на высотной ракете (2) на частоте 2,66 Мгц; б ~ профили N (г), полученные одновременно в Оттаве 30 марта 1Э6В г. <<Р=45.2° С, Х=76= 3 и /=+75,4°) на частотах 2,66 Мщ и 4,21

- W

70 60 50

Злешрониая коицетпрация n,cm

волн, но-видимому, все же один из наиболее ценных и плодотворных для изучения области D.

Сравнение одновременных измерений, полученных различными методами, часто дает хорошее согласие. Так, из рис. 10.1, а видно, что профиль N (z), полученный методом часгачного отражения за сеапс измерений в 27 мин тем самым характеризующий среднее состояние области D за этот интервал времени, и один профиль N (z), быстро снятый на высотной ракете в это же время, хорошо согласуются между собой. Вместе с тем следует отметить, например, что средние профили N (z), измеренные одновременно в течение 20 мин на двух частотах методом частичного отражения (рис. 10.1, б), несколько отличаются, что, возможно, связано с неучетом вариации Av/v при обработке результатов измерений.

2. Гирорезонансное взаимодействие радиоволн

Нелинейные эффекты в ионосфере, т. е. эффект нагрева плазмы под воздействием радиоволн, и изменения вследствие этого числа столкновений электронов с нейтральными частицами для исследования ионосферы, в частности для определения эффективного числа соударений v, были использованы уже давно [181-184, 536]. Однако лишь в последние годы эти методы были применены для определения профилей N {z) и созданы уникальные установки (например, в Австралии), позволяюш,ис проводить систематические исследования области D [530-532].

Суть этого метода состоит в излучении последовательности мощных (до 500 кет) импульсов радиоволн, возмущающих плазму через равные интервалы времени Т, обычно на несущей частоте, близкой к гироскопической. Период Tq выбирается таким, чтобы он был велик по сравнению со временем релаксации (нагрева) плазмы. На другой несущей частоте, при которой хорошо отражаются волны от исследуемой области ионосферы, излучается последовательность принимаемых (нарушаемых) импульсов с периодом Tq/2. Разность времени т между началом излучения обеих последовательностей импульсов постепенно изменяется и определяется разность амплитуд и разность фаз между соседними импульсами последовательности принимаемых радиоволн, отстающих друг от друга на время 70/2. Вследствие

1.1 я. л. Альперт

, (10.3)

где Ма - глубина модуляции; А ж Aq - соответственно амплитуды поля возмущенного (излучаемого в момент sTq-\- т) и невозмущенпого импульсов; v:s=Vjj--Av - возмущенное число столкновений; - невозмущенное число столкновений; 5t и ге - коэффициенты затухания и преломления принимаемой волпы для V и v; - разность фаз между возмущенной и невозмущенной принимаемыми волнами; s - целое число; L - траектория распространения волны.

Глубина модуляции Ма в реальных условиях - малая величина, однако в современных установках обеспечиваются изменения разности А-А с точностью до 10 . Вследствие малости возмущения числа столкновений (Av < Vp) и малости Ма формулы (10.3) приводятся к виду

При этом в интегралах (10,4) выражения, которые заключены в скобки, не зависят от N. Определяя для последовательности высот Zj величины Ма и ф , можно при раскрытии интегралов (10. 4) в принципе получить формулы, определяющие последовательность значений iV и и соответственно высотные их зависимости. Обычно измеряется только амплитудная модуляция нарушаемой волны и используется для обработки данных известная зависимость (z). После некоторых допустимых упрощений (10. 4) и использования соответствующих выражений для Av [530] в итоге получается

*--(4),W-. . 5=4(s).. (0-5)

где Az - интервал высот z; 8 - доля энергии, теряемая электронами при соударениях; Wo~ тепловая их энергия; z - средняя высота возмущенной области.

Формулы (10. 5) обычно используются для определения профилей N (z) из последовательности измеренных значений М,.

Из этого краткого описания видно, что рассматриваемый метод требует тонких и тщательных измерений и аккуратных численных методов обработки результатов измерений. Как уже отмечалось, современные опыты уже достаточно совершенны и позволяют получать множество интересных данных о нижней ионосфере, которые хорошо согласуются между собой и с результатами других измерений [488, 489, 530].

3. Высотные зависимости () нижней части ионосферы

Отраженные от ионосферы радиоволны регистрируются днем уже от высот 2 да 50-7-55 км (рис. 10.2), а ночью, начиная от 2да 80 -г- 90 км. Наличие заметной электронной концентрации на этих высотах {N 1--10 см~) показывают также опыты на ракетах (см. рис. 10.4). Указанные высоты можно считать началом - основанием ионосферы -соответственно днем и ночью.

воздействия на ионосферу возмущающей волны амплитуда и фаза принимаемых пакетов радиоволн изменяются и зависят от г. Так, для импульсов принимаемых волн, излучаемых в моменты времени {sTqx) и {sT+TJl--i)

= = 1 - ехр U{ К (V) - Ы]