книги из ГПНТБ / Керблай, Т. С. О траекториях коротких радиоволн в ионосфере

ft, NM

N-10~fcM~3

в части слоя, близкой к максимуму ионизации, совпадения рас­ четных и экспериментальных величин вполне удовлетворитель­ ные. В нижней части при h -< /і + 0,25 ут (h0 — нижняя граница

широтах (некоторые расхождения в нижней части слоя); 3) днем, летом в средних и высоких широтах слоя F2 аппроксимируется частью параболы (при наличии нижележащих слоев).

В экваториальной области днем высотное распределение слоя F2 может быть описано параболическим законом только в годы малой солнечной активности, с увеличением активности отклоне­ ния от параболического распределения возрастают, высотное распределение электронной концентрации в области F приближа­ ется к линейному.

Нижняя половина слоя Е удовлетворительно описывается параболой в большей части. Слой F1 в тех случаях, когда он хоро­ шо выражен, как самостоятельный слой, тоже может аппроксими­ роваться параболой или частью ее.

Линейный закон. Как уже было отмечено, N (/^-распределе­ ние вблизи экватора (область геомагнитных широт + 20°) может быть аппроксимировано линейным законом. В этом случае

или N — Nm(h- ho)

В отличие от среднеширотной ионосферы, где каждый регуляр­ ный слой аппроксимируется отдельной параболой с характерными параметрами, в экваториальной дневной ионосфере вся область F (может быть представлена единой линейной зависимостью от высоты.

19

Рис. 5. N (Л.)-распределеиие. Ибадан, декабрь 1957 г.

; — эксперимент; 2 — расчет по линейному закону

Рис. 6. Параболическое (2) и бииараболнческое (1) N (h)- распродслешш

X

На рис. 5 для станции Ибадан (ср = 7,°4 С, X = 4° В) приведено N (/^-распределение. пересчитанное из ионограммы [21] и вычисленное по линейному закону. Здесь область F, вклю­ чающая слон F1 и F2, аппроксимируется одной линейной зависи­

мостью с угловым коэффициентом AjV/AA = 4,3- ІО3 см~3/км. Наличие слоя F1 приводит к небольшому перегибу в общем рас­ пределении. При обсуждении линейной аппроксимации /^-области необходимо отметить, что вблизи области максимума (например, высота 480—500 км на рис. 5) слой F2 следует аппроксимировать параболой или другой кривой не менее второго порядка.

Бипараболический закон,. Как уже отмечалось выше, параболи­ ческое приближение часто существенно расходится с реальным распределением электронной концентрации по высоте в нижней

На рис. 6 приведены параболическое и бипараболическое рас­ пределения электронной концентрации с высотой. Для сравнения оба распределения выражены в относительных единицах толщины слоя X — (Ііт — h)/ym. Как видно из рисунка, бипарабола отли­ чается менее резким высотным градиентом в нижней части слоя.

На рис. 4 приведена аппроксимация параболой и бипараболой реального N (Л)-профиля. Отсюда видно, что параболическое и бипараболическое распределения почти не различаются в обла­

20

сти максимума и в средней части нижней половины слоя, но рас­ ходятся вблизи нижней границы, причем бипарабола обеспечивает более точную аппроксимацию.

Имеется большое число аналитических представлений высот­ ного распределения электронной концентрации, предлагаемых различными авторами: экспоненциальной закон [23], квадратич­ ная синусоида [22], полиномы различных степеней [24] и др. [25, 96]. Одиако практическая ценность всех этих распределений, включая и бипараболу, невелика, поскольку нет систематизиро­ ванных параметров этих распределений, которые могли быть ис­ пользованы для расчетов траекторий.

Внешняя ионосфера. Верхняя часть ионосферы, расположен­ ная выше максимума слоя F2, имеет большую протяженность, чем нижняя. Для ее аппроксимации также может быть использо­ вано несколько моделей. Согласно [6], внешнюю ионосферу до высот 500—600 км можно представить параболическим законом с полутолщиной, превышающей ут нижней части слоя.

Более точное представление может быть достигнуто, если использовать выражение N (/г), следующее из теории простого

где Н = kT/Mg — высота приведенной атмосферы (к — постоян­ ная Больцмана, Т — температура, М — масса ионов, g — грави­ тационная постоянная).

Более протяженную область верхней ионосферы до высот

N (/^-распределения позволяют при известной величине N m опи­ сать зависимость электронной концентрации от высоты (над за­ данной точкой земной поверхности) с помощью двух параметров: высоты максимума слоя и полутолщины. Эти величины часто на­ зывают геометрическими параметрами слоя. Для того чтобы ис­ пользовать ту или иную модель слоя, необходимо характеризую­ щие ее геометрические параметры задать как функцию географи­ ческого положения, времени суток, сезона и уровня солнечной активности. Единственным опубликованным материалом, содер­

жащим такого рода информацию, являются карты hm и Ут [5, 6]

и прогноз hm и ут, имеющийся в «Месячных прогнозах распростра­ нения радиоволн» [29]. Карты 1іт и ут составлены для трех уров­ ней солнечной активности, W = 10, 100 и 200 для трех месяцев — марта, нюня и декабря, представляющих разные сезоны года. В «Месячных прогнозах» приводятся значения 1гт и ут для слоев

21

F2 и Fl, прогнозируемые для широт 10—80° северного полушария. Геометрические параметры, приведенные в [5, 6 29], вычислепы с помощью методики, изложенной в [5]. Согласно этой методике, слой F2 аппроксимируется параболой во всех случаях, за исклю­ чением дневной экваториальной ионосферы в периоды высокой солнечной активности, когда полутолщина области F2 превышает 200 км. В летней дневной ионосфере, когда функция N (h) имеет

22

несколько максимумов, при параболической аппроксимации слоя F2 слой F1 также аппроксимируется параболой или ее частью. При этом слой F1, согласно методике [30], рассматривается как самостоятельный слой только в тех случаях, когда его полутолщииа превышает 100 кш. Нижняя половина слоя Е во всех слу­ чаях принимается параболой с полутолщиной 20 км. Высота мак­ симума слоя Е также принимается постоянной, равной 120 км.

заштрихована; опа характерна тем, что в отмеченном районе в ука­ занное время слои F2 и F1 аппроксимируются одним линейным слоем, параметры которого указаны на картах рис. 7.

В тех случаях, когда отражение радиоволн происходит от высот, соответствующих средней части слоя F1, или явно выше максимума слоя F1, в слое F2, эта аппроксимация существенных неточностей в расчет траекторий не вносит. Некоторые ошибки могут возникать только, когда рабочая частота близка к МПЧ слоя F1. В этих случаях при расчете по такой модели могут быть получены заниженные значения группового пути радиоволны при прохождении области максимума слоя F1.

Следует иметь в виду, что все геометрические параметры, полу­ ченные для определенной аналитической формы N (И), могут быть применимы для описания N (h) только в пределах этой мо­ дели. Это ясно видно из рис. 6, где приведены параболическое и бипараболическое распределения с одинаковыми N m, hm и ут.

Если необходимо описать кривую N (h) бипараболой, то зна­ чение ут нужно для этого взять большее, примерно '1,2 ут параболы.

§ 5. Модели многослойной ионосферы

Исходя из данных о форме слоя и величинах геометрических параметров слоев, а также о максимальной электронной концент­ рации каждого из регулярных слоев, можно получить представ­ ление о наиболее типичных моделях ионосферы.

Ниже приведено несколько типичных для определенных усло­ вий моделей ионосферы, построенных при допущении параболи­ ческой и линейной аппроксимации.

Однослойная модель. Это наиболее простая и наиболее часто осуществляющаяся модель. В ночные часы, от захода до восхода солнца, на уровне ионосферы электронная концентрация слоя F2 во много раз (10 и более) превышает электронную концентра­ цию в слое Е. В этом случае можно пренебречь влиянием слоя Е на траекторию радиоволн, отражающихся от слоя F2, и считать ионосферу состоящей из одного ионизированного слоя. Пример такой структуры ионосферы приведен на рис. 8. Некоторые труд­ ности в этом случае могут возникнуть только при расчете парамет-

23

h ,K M

300-

h,нм

ЗОО

ZOO ГПе „

zoo

wo

Puc. 8. Однослойная параболическая модель ионосферы

Рис. 9. Двухслойная модель ионосферы

ров траектории для радиоволн самой цшкнеы ласти коротковол­ нового диапазона (2—3 Мгц), отражающихся вблизи нижней границы слоя, поскольку форма нижней части слоя передается параболической моделью не вполне точно. Пунктиром на рисунке показана неучитываемая моделью электронная концентрация.

Двухслойная модель. Ионосферу можно считать состоящей из двух слоев — слоя Е и слоя F2, в дневное время зимой в средних и высоких широтах. Такая же модель применима н в периоды равноденствия во всех случаях, когда нет явно выраженного слоя F1.

При двухслойной модели ионосферу можно считать начинаю­ щейся с высот 100 км полупараболой, описывающей нижнюю часть слоя Е (см. пример на рис. 9) и параболического слоя F2. При построении этой модели возникает вопрос о характере N (h)-про­ филя между максимумом слоя Е и началом слоя F2. Как известно, вопрос о межслоевой ионизации в настоящее время еще находится в стадии исследования. Имеющиеся сведения об этой области осно­ ваны главным образом на результатах ракетных исследований [31, 32] и некоторых работах методического характера [33], об­ суждающих возможность вычисления профиля межслоевой обла­ сти по ионограммам. Эти сведения не дают материалов для оценки формы межслоевой области при различных условиях.

Наиболее простым способом аппроксимации этой части ионо­ сферы является предположение, сделанное в работе [34], где полагается, что электронная концентрация, соответствующая мак­ симуму слоя Е, сохраняется постоянной, вплоть до начала слоя F2. Схематически ход электронной концентрации при сделанных предположениях виден на рис. 9. Расчеты [34] показывают, что предположение N = N mE в области высот между слоями Е и F2

24

hjKM

350

300

Z50

ZOO

/50

100

Рис. 10. Трехслойная модель ионосферы

а) hm F l > h j? 2 \ C) h m F l < h aF2

не вызывает существенных погрешностей в расчете траекторий волн, отражающихся от слоя F2.

Следует заметить, что одно- и двухслойная модели могут быть применены во всех случаях, когда в ионосфере отсутствует слой F1, причем разделение этих моделей несколько условно. При одной и той же структуре ионосферы и одинаковом отношении

тт лучше взять двухслойную модель для расчетов траекто­

рии радиоволны с рабочей частотой, близкой к МПЧ слоя Е ,

ИМОЖНО В ЗЯ Т Ь однослойную модель Д Л Я /р а б 5§> МПЧ слоя Е

(подробнее см. гл. III).

Трехслойная модель. В летнее дневное время в средних и высо­ ких широтах в ионосфере присутствуют три слоя: Е, F1 и F2. В эти периоды распределение электронной концентрации с высо­ той в большинстве случав можно представить с помощью трех пересекающихся парабол. Точки пересечения парабол, являющие­ ся границами отдельных слоев, находятся путем совместного ре­ шения уравнений, описывающих смежные слои при соответствую­ щих параметрах.

В отдельных случаях, сравнительно редких, параболы, соот­ ветствующие слоям £ п И , не пересекаются. Тогда снова встает вопрос о заполнении промежутка 1между слоем Е и вышележащим

1 Форма N (/^-распределения в так называемой «долине» между слоями Е и E l (или Е и F2) не играет существенной роли при расчете траекторий ра­ диоволн при связи между двумя наземными пунктами скачковым способом, если рабочая частота превышает МПЧ слоя Е. В случае необходимости определения характеристик траектории волны, распространяющейся в волноводном канале между сдоями, форма N (/^-распределения должна

быть учтена с максимально возможной точностью, так как часто она опре­ деляет характер траектории.

25

fl, KM

420-

Рис. 11. Ліінеііпан модель эк­ ваториальной ионосферы

/V- Ш'ч,пм

слоем, и ои решается так же, как и в случае двухслойной модели, т. е. максимальная концентрация слоя Е продолжается до начала слоя F1.

Еще одна трудность может возникнуть при построении трех­ слойной’ модели ионосферы. В тех случаях, когда полутолщшіы слоев F1 и F2 невелики, между верхней полупараболой слоя F1 и началом слоя F2 образуется глубокий минимум электронной концентрации. Известно, что в реальной ионосфере таких глубо­ ких впадин не наблюдается. Эту впадину следует сгладить. Наи­ более простой и достаточно точный способ — это снова предполо­ жение постоянной концентрации, равной N mFl до пересечения с параболой, аппроксимирующей слой F2.

На рис. 10 представлены различные, описанные выше, модели трехслойной ионосферы.

Экваториальная линейная модель. Экваториальная дневная ионосфера состоит из трех слоев: Е, F1 и F2. Слой Е для этих широт так же, как и для всего земного шара, удовлетворительно может быть представлен полупараболой в нижней его части. Особенностью экваториальной ионосферы является то, что в годы высокой солнечной активности слои F1 и F2 лучше аппроксими­ руются линейной зависимостью от высоты, чем параболической. В этом случае, начиная с высоты максимума слоя Е, рост электрон­ ной концентрации описывается прямой, продолжающейся вплоть до области, близкой к максимуму слоя F2 (рис. И).

Упоминавшиеся выше материалы прогноза геометрических параметров ионосферы [5, 6] содержат обобщенные параметры слоев F1 и F2. Однако в ряде случаев необходимо выделить слой F1, особенно вблизи уровня его максимальной электронной кон­ центрации. Для этого можно рекомендовать определить N mFl по формуле (1.3) или картам прогноза [29] и примерно на 0,1 ут, вблизи уровня максимума аппроксимировать верхнюю часть слоя F1 отрезком параболы. На рисунке пунктиром показаны отрезки парабол, аппроксимирующие слои F1 и F2 вблизи максимума иони­ зации.

26

§6. Спорадический слой Е

ианомальная ионизация

Спорадическая ионизация в области Е, так называемый слой Es, несмотря на твердо установившийся термин «спорадический», появляется с большей вероятностью в определенные сезоны и вре­ мена суток. Поэтому при рассмотрении траектории радиоволн необходимо учитывать эффекты слоя Es. Некоторая трудность в определении эффектов слоя Еа заключается в том, что под этим термином понимается целый ряд образований в ионосфере, отли­ чающихся как по особенностям суточных и сезонных вариаций, так и по характеру отражения радиоволн.

Отражения типа Es могут возникать в результате появления тонкого слоя, наличия высокого градиента ионизации в области Е , слоя облачной структуры или рассеяния на неоднородностях. В от­ личие от регулярных слоев максимальные частоты, которые отра­ жаются от слоя Es, часто называются не критическими, а предель­ ными. Это различие имеет принципиальный характер. Критиче­ ская частота регулярного слоя определяется его максимальной электронной концентрацией, и величина ее не зависит от техни­ ческих параметров аппаратуры. Измеряемая ионосферной стан­ цией предельная частота Es в общем случае не является столь определенной характеристикой. В зависимости от структуры слоя Es предельная частота может хуже или лучше характеризовать максимальную концентрацию слоя. Так, например, для слоя Es с высоким градиентом ионизации предельная частота будет зави­ сеть главным образом от величины градиента. Для некоторых структур Es (рассеянные отражения, градиентный слой) может иметь место существенная зависимость измеренной предельной частоты Es от технических параметров аппаратуры (мощности передатчика, степени усиления антенн, чувствительности прием­ ника).

Существует международная классификация типов Еа, соглас­ но которой выделено девять типов Еа, различающихся видом ионограмм. Можно предполагать, что большинство из них отли­ чается и структурой слоя. Почти все типы Еа характеризуются большими изменениями предельных частот отражения, локально­ стью появления. Часто появляются слои Еа, отличающиеся нолупрозрачностыо. Для полупрозрачного слоя Еа, кроме предель­ ной частоты, употребляется еще другая характеристика — часто­ та экранирования. Частотой экранирования называют наимень­ шую частоту, при которой слой полупрозрачен. Существует мне­ ние [35] , что для некоторых типов слоя Еа частота экранирования является лучшей характеристикой его максимальной электрон­ ной концентрации, чем предельная частота.

Слой Еа отличает значительная изменчивость его характери­ стик от дня ко дню, а также от часа к часу в течение одного дня. Поэтому распространенной и практически важной характеристн-

27

кой является вероятность появления отражений от него с часто­ тами, превосходящими какую-либо заданную величину (3, 5 Мгц и т. п.) , а также вероятность отражений от Es с заданной длитель­ ностью.

Вероятность появления слоя Es, так же как и его предельные частоты, зависят от времени суток, сезона и географического поло­ жения. Сведения о вариациях характеристик слоя Es содержатся

вработах [36—38].

Всредних широтах летний дневной слой Es может оказывать

существенное влияние на вид траектории коротких радиоволн. В дневное время в основном это будет эффект экранирования слоем Es вышерасположеиных слоев. Время, в течение которого слой Es может присутствовать, не меньше, чем время появления четко выраженного слоя F1. Поэтому здесь необходимо кратко остановиться на некоторых особенностях структуры этого слоя.

ный слой Es можно описать моделью с высоким градиентом элект­ ронной концентрации на нижней границе. Полупрозрачность слоя определяется как его малой толщиной (по сравнению с дли­ ной зондирующей волны) и наличием высокого градиента, так, в ряде случаев, н облачной структурой слоя в горизонтальном направлении.

Аналитической моделью этого слоя может служить тонкий слой типа

где у — параметр, характеризующий толщину слоя.

При наличии тонкого слоя такого типа на пути радиоволны можно рассмотреть следующие случаи:

1. Частота радиоволны значительно превосходит диапазон частот, отражаемых тонким слоем под заданным углом. В этом случае траектория не изменится, поскольку рефракция в тонком слое мала и эффектом такого слоя можно пренебречь.

2. Частота радиоволны значительно меньше предельных ча­ стот, отражаемых слоем. Траекторию можно считать треугольной

емым тонким слоем. В этом случае необходимо учесть полупрозрач­ ность слоя и одновременно рассматривать две траектории — одну, возникающую при зеркальном отражении от тонкого слоя части энергии радиоволны, и вторую — при отражении от вышележа­ щего слоя остальной части энергии.

Приближенно можно считать, что частота экранирования при вертикальном падении радиоволны на слой Es соответствует

28