книги из ГПНТБ / Филипп, Н. Д. Рассеяние радиоволн анизотропной ионосферой
.pdfРАССЕЯНИЕ
РАДИОВОЛН
АНИЗОТРОПНОЙ
ИОНОСФЕРОЙ
МИНИСТЕРСТВО НАРОДНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОЛДАВСКОЙ ССР
БЕЛЬ-ЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А. РУССО
Н. Д. Филипп
РАССЕЯНИЕ РАДИОВОЛН АНИЗОТРОПНОЙ ИОНОСФЕРОЙ
> л \ . j L
ИЗДАТЕЛЬСТВО „ШТИИНЦА'
КИШИНЕВ * 1974
д |
J * У |
|
"I ос. публич |
|
|
|
|
|
|
|
|||
1, |
научно-техничѵ ' я |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
}f |
бйблисгѳна |
С- |
" і ! > |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
1 |
|
|
|
|
ff |
|
|
|
|
|
|
|
|
ß |
- Ш |
у |
|
|
|
|
|
|
|||
|
УДК 621.391.81 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В монографии |
рассматриваются |
вопросы |
расоѳяния |
|||||||||
|
радиоволн |
анизотропной |
ионосферой, |
организации |
экспе |
||||||||
|
римента, методики обработки экспериментальных |
данных |
|||||||||||
|
и физики данного явления. Приводятся основные |
резуль |
|||||||||||
|
тата исследований, |
проведенных зарубежными |
учеными, |
||||||||||
|
а также данные, полученные автором и исследовательской |
||||||||||||
|
группой БШИ и Одесским электротехническим |
|
институтом |
||||||||||
|
связи* совместно с которым осуществлялись |
|
эксперимен |
||||||||||
|
тальные работы. Выявление механизма такого |
|
вида |
|
рас |
||||||||
|
пространения радиоволн |
имеет |
практическое |
|
значение |
в |
|||||||
|
области радиосвязи, |
а |
также |
способствует |
дальнейшему |
||||||||
|
изучению тонкой структуры верхних слоев атмосферы. |
|
|
||||||||||
|
Работа является первой попыткой рассмотреть |
рас |
|||||||||||
|
пространение |
ультракоротких радиоволн рассеянными маг |
|||||||||||
|
нитно-ориентированными неоднородностями |
ионосферы |
и |
||||||||||
|
представляет интерес для научных работников |
и |
специа |
||||||||||
|
листов в области радиофизики, а также для аспирантов и |
||||||||||||
|
студентов- |
старших курсов, специализирующихся |
в |
этой |
|||||||||
|
области. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Научный редактор |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
доктор физ.-матем. |
наук, |
профессор |
|
|
|
||||||
|
|
|
А. А. С е м е н о в |
|
|
|
|
|
|
© Издательство "Штиинца”, Кишинев, 1974 г.
фQ-3.- 4 - I .48, І04_74 ЫГ755Ц2) - 74
П р е д и с л о в и ѳ
В основу монографии легли теоретические и эксперименталъше
данные, опубликованные в отечественных и зарубежных журналах, а |
||
также некоторые результаты исследований, выполненные |
автором |
|
за последние пять лет. Вопросы теории эволюции |
неоднородностей |
|
под воздействием магнитного поля, относящиеся к |
механизму рас |
|
сеивания радиоволн, затронуты нами лишь в той мере, |
в какой это |
необходимо для критического подхода к оценке экспериментальных данных.
Природа исследуемых неоднородностей и их проявление неоди наковы особенно на разных широтах. Первые изыскания в этой об ласти связаны с анализом радиосигналов, отраженных ионосферой
в полярной |
зоне. |
Толчком для начала исследований послужил анализ |
||||||
полярных сияний |
в виде дуг, |
расположенных вдоль |
силовых |
линий |
||||
магнитного поля. |
Учет характера распределения отражающих |
цент |
||||||
ров и свойства |
зеркальности |
отражения позволил |
разработать |
|||||
"геометрию" |
авроральных радиоотражений [36] , а |
позже - |
теорию |
|||||
рассеяния радиоволн |
[і і ] |
. Первые |
экспериментальные и теорети |
|||||
ческие исследования |
были направлены, естественно, на установле |
|||||||
ние связи |
между видимым |
полярным |
сиянием и авроральными ра |
|||||
диоотражениями и |
привели' к предположению, что отмеченное |
яв |
||||||
ление характерно |
только для |
полярной ионосферы. |
Так как |
"гео |
метрия" авроральных радиоотраженяй на этих широтах позволяет от делить описываемый вид распространения от ряда других механиз мов переизлучения, то сопоставление экспериментальных данных
с теоретическими прогнозами |
значительно облегчается. Это и при |
|
вело к удовлетворительной феноменологической |
теории аврораль |
|
ных радиоотражений [ і і , 38, |
ЬО, 54, 165] , |
хотя далеко не все |
3
вопросы в этой области наши удовлетворительное решение |
[195]. |
Здесь следует подчеркнуть вопрос о природе анизотропных“ |
отра |
жающих центров, где основную роль играют, бесспорно, ионосфер |
|
ные токовые системы. |
|
Позднее исследователи ионосферы на низких широтах, включая |
экваториальную зону, столкнулись с существованием аномально по
вышенных ШЧ« связав это с особыми экваториальными |
спорадичес |
|
кими слоями £ s |
. Однако выяснилось, что рассеяние ультрако |
|
ротких радиоволн |
связано с наличием анизотропных |
неоднородно |
стей электронной |
концентрации, направленных вдоль |
магнитного |
поля. Учитывая, что в районе экватора эти неоднородности распо ложены почти горизонтально, "геометрия" распространения во мно гих отношениях не отличается от обычного рассеяния изотропной ионосферой. Поэтому рассеяние от экваториальных поленаправлен
ных неоднородностей легко обнаруживалось,но труднее |
отделялось |
от других механизмов распространения. Наличие таких |
неоднород |
ностей связывается с появлением экваториальной электроструи. На основе немногочисленных попыток провести аналогию между эква ториальными и полярными радиоотракениями сделан вывод о сущест вовании общих и различных черт между этими явлениями.
Целенаправленные |
эксперименты по обнаружению |
рассеяния |
|||||
аналогичными анизотропными неоднородностями на |
средних |
широтах |
|||||
были поставлены лишь в |
последние 10 - 15 |
лет. |
Здесь, |
с одной |
|||
стороны, не обнаруживаются аномально-повышенные ШЧ, |
как |
в рай |
|||||
оне экватора, ибо "геометрия" распространения в этой |
зоне |
отли |
|||||
чается от случая изотропного рассеяния. |
С другой стороны, |
не по |
|||||
являются и видимые сияния, как в полярной области. |
Специальные |
||||||
эксперименты, поставленные на средних широтах, выявили ряд |
ха |
||||||
рактерных особенностей этой зоны. . На |
длинноволновом |
участке |
|||||
ультракоротковолнового |
диапазона (30 |
ч 100 МГц) были обнару |
|||||
жены два вида сигналов: |
вспышкообразные, |
подобные метеорным, и |
|||||
квазинепрерывныв с |
продолжительностью до нескольких часов (ти |
||||||
па авроральных радиоотранений). При использовании |
коротковол |
||||||
нового участка ультракоротковолнового диапазона (300 |
- |
500 |
МГц) |
||||
выявилось, что большинство обнаруженных радиоотражений |
принад |
лежит к вспышкообразным сигналам. Некоторые исследователи сред
неширотной зоны связывают изучаемый тип рассеяния |
с |
метеорными |
|
явлениями |
[56-60, I3S[] . |
|
|
Оидшао, природа исследуемых неоднородностей не |
едина. Чаще |
||
работают |
одновременно несколько механизмов ях |
возникновения, |
характер которых зависит от широты. Неодинаковость |
неоднород |
|||
ностей |
обуоловливает |
и различные тигш рассеянных сигналов, |
по |
|
крайней |
мере в первой |
стадии. Однако какой бы ни была природа |
||
изучаемых неоднородностей, их эволюция со временем во |
многом оп |
ределяется действием магнитного поля на процесс расплывания этих неоднородностей. Это является общим для всех видов неоднородно стей.
Количество экспериментальных исследований рассеяния от ани зотропной ионосферы на средних широтах пока недостаточно и в отечественной и в зарубежной литературе. В настоящей работе де лается попытка восполнить этот пробел и дать краткий сравнитель ный анализ полученных результатов с целью выявления как общих, так и отличительных черт исследуемого механизма распространения радиоволн. Наибольшее внимание уделено нами результатам изыска ний на средних широтах.
Учитывая, что флуктуации поля сигнала в пункте приема неоут определенную информацию'о структуре и динамике рассеивающих
центров и определяют пропускную способность |
х<анала связи и |
на |
дежность приема информации, автор уделяет |
соответствующее |
вни |
мание и этому вопросу. |
|
|
Автор выражает глубокую благодарность рецензентам,сотруд |
||
никам кафедры волновых процессов физического факультета |
МГУ |
|
Т.И.Арсениян и Э.С,Воронину за ценные замечания. Особенно |
при |
знателен автор научному редактору этой книги проф. А.А.Семенову. Автор благодарит также А.М. Шлихового и Е.Я.Глейбыана,сот
рудников кафедр физики и общетехиичесних дисциплин БГТШ им. А. Руссо,за помощь,оказанную при подготовке рукописи к изданию.
Г л а в а |
I |
|
|
|
ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ |
|
|
||
Большинство |
первоначальных исследований по |
обнаружению |
и |
|
изучению рассеяния радиоволн неоднородностями ионосферы, |
вытя |
|||
нутыми вдоль магнитного поля Земли, проведенных |
до I960 |
г. |
на |
низких и средних широтах, выполнено радиолокационным способом.
Явление радиоотражений |
от полярных а я -"тройных неоднород |
|
ностей сравнительно хорошо |
изучено. Мы затрагиваем эту |
проб |
лему лишь потому, что некоторые исследователи, изучая рассеяния
радиоволн на более низких широтах, прибегали к |
сравнению полу |
||||||
ченных результатов. |
|
|
|
|
|
|
|
Целью исследования ионосферы, проведенного |
в |
1951—1955 гг. |
|||||
радиолокационным способом, было |
более тщательное изучение осо |
||||||
бенностей спорадических облаков |
ионизации |
Fs [ і , |
з].В |
частности |
|||
методом возвратно-наклонного зондирования изучались сигналы, |
рас |
||||||
сеянные поверхностью Земли |
На индикаторе |
типа |
|
fl |
при |
опре |
|
деленной ориентации антенны локатора часто, наряду с |
медленно |
||||||
замирающим сигналом, рассеянным поверхностью Земли, |
обнаружи |
||||||
вался новый тип сигнала - |
"пушистый" (по его форме на |
экране), |
|||||
частота замираний которого |
превосходила частоту |
замираний |
сиг |
нала, рассеянного Землей.
Новый вид сигнала оказался очень чувствительным к простран ственному распределению отражающих центров. Наблюдения за ним
в зависимости от направления антенны локатора привели |
к гипотезе |
||
[ 3 ] , что источниками |
полученного |
сигнала являются |
ионизиро |
ванные "колонны", лежащие параллельно силовым линиям |
земного |
||
магнитного поля. Для исследования происхождения нового |
сигнала |
||
■^Это явление, открытое Н.И.Кабановым и подробно |
изученное |
||
им в 1947 - 1958 г г . , |
называется |
эффектом Кабанова. |
|
6
был поставлен специальный эксперимент на трассе длиной в 1200 км между Стенфордом (штат Калифорния, СОІА) и Спокеном (штат Вашинг
тон). |
Эксперименты, проводившиеся маломощными локаторами на час |
||
тотах |
17, 23 и 30 МГц, доказали, |
что этот сигнал - |
следствие |
ионосферного рассеяния.Импульсная |
мощность локатора, |
работавшего |
|
на частоте I? МГц, около 2 кВт;*- |
а средняя мощность - пооял- |
ка 50 Вт; второй локатор характеризовался соответственно величи
нами 50 и I кВт. Повышение частоты |
в эксперименте |
приводило к |
|||
быстрому падению уровня сигналов указанного типа, |
поэтому |
такие |
|||
эхо-сигналы на маломощном локаторе |
в диапазоне |
30 |
МГц наблюда |
||
лись очень редко. |
|
|
|
|
|
Экспериментаторы предполагали, |
что такой |
сигнал |
может |
быть |
следствием перпендикулярного отражения от ионизированных "колонн", направленных вдоль земного магнитного поля (подобно отражению от северного сияния). Рассеянный сигнал в этих экспериментах прихо-'
дил как |
от |
слоя |
Е |
, |
так и |
от слоя |
F . |
|
|
|
|
|
|||
Отражения сигналов от |
области |
Е |
на частотах |
17 и 30 МГц |
|||||||||||
имели |
место |
почти каждую ночь в начале |
лета и поздней |
осенью |
|||||||||||
1555 |
года, |
почти |
с |
таким же |
постоянством, |
как |
и |
отражения |
от |
||||||
области |
F |
. |
Однако |
связь |
между периодами |
появления этих |
сиг |
||||||||
налов не была обнаружена. Некоторые |
из |
них |
продолжались |
от |
I |
||||||||||
до 30 |
мин |
, при этом суммарное время |
наблюдения |
составляло |
I - |
||||||||||
2 часа в сутки. Частота замираний таких радиосигналов была |
зна |
||||||||||||||
чительно больше частоты замираний радиооигналов, |
отраженных |
от |
|||||||||||||
обычных спорадических слоев ионосферы. Грубо эту частоту |
можно |
||||||||||||||
сравнить |
с аналогичной |
ве |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
личиной, характерной .для ав- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
роральных |
отражений |
[4,5] . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Такие сигналы часто обнару |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
живаются в магнитно-спокой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ные дни |
[з ] . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Геометрическое |
|
место |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
точек |
перпендикулярного от |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ражения как функции азимута |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
при высоте |
отражения в ІООш |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
с размещением локатора |
на |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
геомагнитной |
широте |
|
Стен |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
фордского |
университета |
по |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
казано на рис. I . |
Теорети |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ческие выводы |
|
качественно |
|
|
|
|
|
|
|
|
7
подтверждены экспериментами. Геометрия отражения и характер са мих эхо-сигналов (частота появления, скорость замирании и т,,ц.)
подсказывали исследователям, что |
наблюдаемое |
явление |
на |
сред |
|
них широтах (Стенфорд - |
43,75° и |
Спокен - 55° геомагнитной ши |
|||
роты) - это результат |
вторжения |
корпускул в |
верхние |
слои |
ат |
мосферы, подобно северному сиянию. Более тщательные эксперимен ты, проведенные -позже, ставят под сомнение этот вывод.
Аналогичные отражения наблюдались исследователями в Бри танской Вест-Индии (17,2° с.ш .; 61,8° в . д . ; геом. шир. 30°,маг.
нак. 50°) |
[ б ] . Данные использованных радиолокаторов |
приведены |
||||||
в табл. I . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
I |
||
Характеристики использованных |
32 |
МГц |
|
140 МГц |
||||
локаторов |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Мощность, |
излучаемая в |
|
60 кВт |
|
|
60 кВт |
||
импульсе |
|
|
|
|
||||
Усиление |
антенн |
13 дБ (8-элемент- |
25 дБ ( пара |
|||||
|
|
ная |
антенна |
типа |
болоид |
с диа |
||
|
|
волновой |
канал) |
метром 30 фу |
||||
Диаграмма направленности |
|
45° |
|
|
тов) |
|
||
|
|
|
|
15° |
|
|||
Полоса пропускания прием |
|
6 кГц |
|
|
6 кГц |
|||
ников |
|
|
|
|
||||
Чувствительность приемни |
2*І0_І6Вт |
|
0 ,5 -I0"i 6Bt |
|||||
ков |
|
|
||||||
Длительность импульсов |
300 мкс |
|
300 мкс |
|||||
Частоты повторения |
15 |
или |
30 |
|
15 |
или |
30 |
|
Зоны |
отражения этих |
сигналов, |
судя |
по |
изображениям на эк |
|||
ранах локаторов, находятся на расстоянии 200 |
- 600 |
км. |
Часто |
|||||
такие сигналы появлялись |
около 20 ч |
по местному |
времени |
и ис |
чезали около полуночи. Вышеописанные сигналы и эхо-сигналы, по
лученные' от полярных сияний в Арктике, характеризуются |
общими |
|||
признаками: |
|
|
|
|
- отражения, как правило, появляются |
спорадически в |
тех на |
||
правлениях, |
где радиолуч перпендикулярен |
магнитному |
полю Земли; |
|
флуктуации |
имеют квазичастоту порядка 10 |
Гц и. более |
и не |
регу |
лярны; рассеяние происходит на высоте около 100 км; |
частотная |
|||
зависимость |
эффективного поперечного сечения рассеяния - |
• |
8
В то жѳ время можно указать и на существующие различия этих двух типов отражений:
- частота появления исследуемых сигналов значительно больше вероятной частоты визуально наблюдаемого появления полярного си
яния. Вероятность |
появления полярного сияния на таких |
широтах |
составляет 0,04$, |
или один день в 7 лет [7] ; корреляция |
с соот |
ветствующими геомагнитными возмущениями для исследуемого сигнала
выражена слабо; видимое полярное |
сияние |
не наблюдалось даже |
при |
|||||||||||||
необычно сильных ночных сигналах. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
U - |
образное изображение |
эхо-сигналов |
на экране |
локатора |
|||||||||||
с азимутальной разверткой позволяет сделать вывод, что они |
рас |
|||||||||||||||
пространяются' почти ортогонально к линии магнитного поля в |
точ |
|||||||||||||||
ке отражения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
При вертикальном |
сканировании |
антенн сигналы |
рассеивались |
|||||||||||||
слоем |
Е |
, |
а не слоем |
F . |
В 1958 |
г. |
на широте Стенфорда |
был |
||||||||
обнаружен такой же рассеянный сигнал, |
обладающий |
ракурсной |
чув |
|||||||||||||
ствительностью на частоте ВСЮ МГц |
[8] |
. |
Было высказано |
|
предпо |
|||||||||||
ложение, |
что причиной |
появления |
таких |
сигналов служат |
"колонны" |
|||||||||||
ионизации, ориентированные магнитным полем Земли. Такая |
|
неодно |
||||||||||||||
родная |
|
ионизация, по мнению исследователей, |
могла |
быть |
вызваг- |
|||||||||||
на частицами, направленными магнитным полем, |
точно |
так же, |
как |
|||||||||||||
образуется |
арктическое |
полярное сияние. Используя работу |
Букера |
|||||||||||||
и др. |
[э] |
, |
авторы [б ] |
утверждают, что длинные "колонны" |
ноле- |
|||||||||||
наоравленной |
ионизации являются |
следствием действия |
магнитного |
|||||||||||||
поля на заряженные частицы. |
Как и в |
[з] |
, они иногда склонны свя |
|||||||||||||
зывать |
такие |
сигналы с |
появлением спорадических слоев |
Es ; |
ко |
|||||||||||
торые |
вначале могут иметь |
изотропную турбулентную |
|
структуру, а |
впоследствии под действием магнитного поля Земли становятся ани зотропными.
В экспериментах, поставленных в районе магнитного |
экватора в |
|||||||
Южной Америке сотрудниками Центральной лаборатории |
распростра |
|||||||
нения радиоволн Национального бюро стандартов США [іо] |
, |
исполь |
||||||
зовались радарные установки на частотах 50 и 21,8 МГц |
(в |
основ |
||||||
ном работы велись на 50 |
МГц). Авторы |
отмечают, что |
сильные |
эхо- |
||||
сигналы частоты |
50 |
МГц, |
отраженные от |
экваториальной |
споради |
|||
ческой области |
Es |
, наблюдаются в плоскости, нормальной |
к |
си |
||||
ловым линиям земного магнитного поля и простирающейся в |
|
восточ |
||||||
но-западном направлении. |
|
|
|
|
|
|
||
При пиковой |
мощности передатчика |
5 кВт обычной |
|
антенной |
||||
типа волновой канал |
и приемником с полосой пропускания в 10 |
кГц |
Зшс.104 |
9 |