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

эквивалентной Частоте наклонного падения / пакл = /„seccp0 (фо — угол падения радиоволны на слой), однако есть экспери­ ментальные доказательства того, что слой Е5 при наклонном па­ дении радиоволн характеризуется большими экранирующими свойствами. Эквивалентность характеристик при вертикальном и наклонном падении в большой мере зависит от структуры слоя.

Существенное влияние на распространение коротких радио­ волн в высоких широтах, особенно ночью, в зимний период, ока­ зывает слой Es зоны полярных сияний (Ф 60 -г- 75° с. ш.).

Типы Es, появляющиеся в зоне полярных сияний, имеют целый ряд особенностей. В отличие от среднеширотного и экваториаль­ ного Es максимум вероятности появления Es в полярной зоне приходится на ночные часы. Преобладающими в ночное время являются два вида Es, характерные только для этой зоны. Один из них, тип а, получивший название типа полярных сияний, по­ казывает явную связь с магнитными возмущениями. Слой Es типа а является слоем рассеянных отражений, степень экранирова­ ния верхней ионосферы этим слоем невелика, так как диапазон полупрозрачности значителен. Второй вид слоя Es типа г харак­ теризуется наличием группового запаздывания. Его след на ионограмме по форме подобен регулярному слою Е. Этот слой Es также появляется только в зоне полярных сияний и лишь во время магнитно-ионосферных возмущений область появления Es типа г расширяется в сторону более низких широт. Тип Es с групповым запаздыванием, кроме эффекта экранирования, должен вызывать рефракцию проходящих через него или отражающихся радио­ волн; для расчета траекторий он может аппроксимироваться той же моделью, что и регулярный слой Е.

В зоне полярных сияний в небольшом проценте случаев появ­ ляются и типы Es, свойственные средним широтам, однако в этом случае они отличаются большей диффузностыо и большим диапазо­

являются сравнительно редко, предельные частоты их невелики, слои в большинстве случаев полупрозрачны. Практически значи­ тельной роли в распространении коротких воли они не имеют.

Особый тип Е$, экваториальный тип q, появляется в сравни­ тельно узкой полосе ±5° в обе стороны от магнитного экватора Земли. Этот слой Es отличается наибольшей регулярностью по сравнению со всеми вышеописанными слоями. Он возникает в мо­ мент восхода солица и длится до заката. Предельные частоты его достигают 9—11 Мгц. Слой в основном полупрозрачный. Роль его в радиосвязи ограниченна, поскольку он появляется в срав­ нительно узкой полосе. Однако на небольших радиолиниях, секу­ щих экватор, ои может отражать радиоволны до 50 Мгц, а также способствовать возникновению двух видов траекторий для радио­ волн с более низкими частотами.

29

Г л а в а II

ПЛАНЕТАРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ГРАДИЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ

§ 1. Основные соотношения, определяющие горизонтальный градиент показателя преломления

В ряде методов расчета траекторий в трехмериоиеоднородыой ионосфере градиент показателя преломления п выражается через его составляющие в направлении дуги большого круга, соединяю­ щей точки излучения и приема (дп/дѲ) и в поперечном направле­ ний дп/д%). Составляющие показателя преломления выражаются через градиенты электронной плотности следующим образом:

где к — коэффициент, зависящий от ряда постоянных.

При модельном представлении ионосферы в виде слоя с пара­ болическим (или каким-либо другим) законом распределения ионизации с высотой градиент dN/dQ для каждого уровня слоя может быть представлен как функция критической частоты слоя,

последующие рассуждения в равной мере относятся и к градиенту

Как видно из выражения для dn/dQ, градиенты параметров слоя входят в разные члены, что позволяет независимо рассматривать эффекты градиентов критической частоты и геометрических пара­ метров.

Имеющиеся сведения об ионосфере свидетельствуют о том, что наибольшие градиенты электронной концентрации характерны

31

для слоя F2. Поэтому следующие параграфы посвящены описанию градиентов, наблюдаемых в этом слое.

Наиболее подробно изучены изменения критических частот слоя [45—52]. Они позволяют составить довольно полное пред­ ставление о величине и вероятности появления градиентов dfc/dD (см. § 2 и 3). При этом можно отдельно рассматривать градиенты, связанные с неоднородностями различных масштабов. Так, к круп­ номасштабным ( и л и регулярным) градиентам можно отнести гра­ диенты в периоды восхода и захода, когда изменения f 0F2 одного знака наблюдаются в области, имеющей протяженность порядка 1000—2000 км и даже более. К крупномасштабным также следует отнести градиенты f 0F2, вызванные приэкваториальной геомаг­ нитной аномалией. В этих случаях протяженность неоднородно­

стей, имеющих градиент одного направления, около 2000 км.

Наряду с указанными градиентами в реальной ионосфере наб­ масштаба

людаются градиенты в областях значительно меньшего (менее км), направление их непостоянно, величина меняется

100

в широких пределах. Закономерности появления мелкомасштаб­ ных градиентов и их величина изучены в настоящее время недо­ статочно, поэтому учет их влияния на характеристики распро­ странения радиоволн еще требует дальнейших исследований.

градиентов критических частот слоя F2 в настоящее время про­ водится на основе данных о }0F2 мировой сети ионосферных стан­ ций, спутниковых поиозопдов и ракетных измерений. Однако, не­ смотря на обширную сеть ионосферных станций и измерений с по­ мощью спутников, часто приходится для изучения свойств гра­ диентов, их планетарного распределения, изменений, вызванных солнечной активностью, применять интерполяционные методы. Так, для изучения свойств долготных градиентов f 0F2 часто ис­ пользуются временные градиенты. Эта замена не вносит больших ошибок, поскольку изменение ионизации вдоль широты связано

32

Рис. 12. Карта градиентов fQF2, связанных с изменением местного времени. Январь 1958 г.

моменты местного времени; АD — длина дуги на данной геогра­ фической широте, соответствующая временному интервалу между наблюдениями.

В работах [47, 52] для вычисления градиентов f 0F2 использо­ вались измерения с интервалом в 15 мин за каждый день и еже­ часные медианные значения f 0F2 для лет низкой и высокой солнеч­ ной активности. Построены гистограммы для величин градиентов отдельно для утренних, дневных и вечерних часов местного вре­ мени и вычислены медианные градиенты. По данным о величине градиентов, вычисленных на основе медианных значений f0F2, построены карты, характеризующие планетарное распределение медианных градиентов. Совпадение медианных величин градиен­ тов, рассчитанных с помощью гистограмм для отдельных станций, с градиентами, снятыми с карт в месте расположения станции, позволило использовать полученные карты для оценки величины градиента А/0. Приведем выводы относительно статистических свойств медианных горизонтальных градиентов f 0F2 и мгновенных градиентов.

Характеристика медианных долготных градиентов f 0F2.

1. Градиент f 0F2 существенно зависит от времени суток. В тече ние всего года максимальные величины градиентов наблюдаются в утренние и вечерние часы местного времени. По абсолютной

Рис. 13. Карта градиентов }0F2, сізкзаітпых с нзменеписм местного времени. Июнь 1958 г.

величине максимальным градиент в утренние часы почти вдвое

3.В годы высокой солнечной активности зимой и в равноден­ ствие видна тенденция уменьшения величины градиента от сред­ них широт к экватору. В летнее время намечается рост величины градиента от средних широт к экватору.

4.В годы низкой солнечной активности заметно увеличение

градиента f 0F2 при приближении к экватору в зимнее и летнее время.

5. Величины градиентов в годы высокой солнечной активно­ сти выше, чем в годы низкой солнечной активности. Различие наиболее существенно в зимнее время. В этом случае максималь­ ные величины градиентов в годы высокой солнечной активности превышают в 1,5—2 раза значения градиентов в год низкой сол­ нечной активности, в летнее время — менее чем в 1,5 раза.

34

Для иллюстрации на рис. 12 и 13 приведены карты географи­ ческого распределения медианных величии градиентов в зависи­ мости от местного времени для двух сезонов. По оси абсцисс нане­ сены часы местного времени, по оси ординат — географические широты. Изолинии, показанные штрихами, соответствуют отри­ цательным величинам градиентов, сплошные линии — положитель­ ным величинам. Градиенты даны в Мгц/100 км.

Характеристика ежедневных величин градиентов foF2.

Для изучения закономерностей поведения долготных

Рис. 14. Гистограммы распределения градиентов /0ГЙ, полученных но дан­ ным f„F2 за каждый день

а — ст. Москва; б — ст. Уаикаііо. 1 — -утро; 2 — день; 3 — вечер

2* 35

^ / A f z

^ U f 3

Рис. 15. Гистограммы распределения отношений Д/і/Д/3 и Д/і/Д/3 для стан­ ций Москва (а) н Уанкайо (6)

градиентов ото дня ко дню были построены карты географическо­ го распределения градиентов за отдельные дни, равномерно выбранные в течение месяца. Для этого использовались ежеднев­ ные ежечасные данные f 0F2 мировой сети ионосферных станций. Полученные карты показали полное качественное соответствие характера изменений медианных за месяц и ежедневных величин градиентов.

Для количественной оценки расхождений медианных и еже­ дневных градиентов использовались гистограммы для величин градиентов f 0F2, рассчитанных по ежедневным ежечасным дан­

ным 20 станций. Анализ этого материала подтвердил качествен­ ное соответствие характера изменений градиентов обоих видов и показал, что градиенты отдельных дней могут отличаться от месячных медианных градиентов в 2—3 раза.

На рис. 14 приведены гистограммы распределения ежеднев­ ных величин градиентов для среднеширотной и экваториальной станций для января и июня 1958 г. По оси абсцисс нанесены гради­ енты dfJdD в Мгц!100 км, по оси ордиант — частота появления в %.

Кроме того, исследовались градиенты f 0F2, рассчитанные по 15-минутным ежедневным наблюдениям ионосферных станций. Результаты этого исследования показали различие в абсолютных

!6

величинах градиентов, рассчитанных по 15-минутным (dfJdD), ежечасным ежедневным (dfJdD) и медианным (dfJdD) данным и одинаковый характер их изменения. Об этом свидетельствуют гистрограммы распределения отношений А/х/А/2 и А/3/Д/3, пред­ ставленные на рис. 15, рассчитанные для утренних часов по дан­ ным f 0F2 станций Москва и Уанкайо. Из рисунков видно, что гра­ диенты dfJdD, dfJdD и dfs/dD в 95% случаев имеют одинаковый знак. Величины медиан обеих кривых составляют 0,8—0,9 единиц.

§ 3. Горизонтальный градиент критической частоты, связанный с изменением широты

Величина широтного градиента f 0F2 зависит от времени суток, сезона, солнечной активности и географических координат.

Максимальные величины градиентов имеют место в дневное и вечернее время, достигая значения 0,4—0,5 <Мгц/і00 км.

Характер географического распределения градиентов в годы высокой и низкой солнечной активности в основном одинаков. Однако абсолютная величина градиентов в годы высокой солнеч­ ной активности выше величины градиентов в годы низкой солнеч­ ной активности.

Зимой в дневное время в северном полушарии максимум ши­ ротных градиентов расположен в области геомагнитных широт 50—70° восточной зоны, 70—80° западной зоны и к северу от эк­ ватора до 15° геомагнитной широты. В южном полушарии, в эква­ ториальной области максимум расположен на тех же широтах, что и в северном, и несколько смещен в области высоких широт.

Ввечернее время в северном полушарии максимум сдвигается

вобласть более низких геомагнитных широт. В экваториальной зоне по-прежнему вырисовывается максимум. В южном полуша­ рии в вечернее время величины градиентов сравнимы с градиента­ ми в северном полушарии, и их географическое распределение сохраняется.

Вутренние и ночные часы значения градиентов значительно ниже и величины порядка 0,4 Мгц/100 км наблюдаются в ограни­ ченных областях.

Летом характер географического распределения величин гра­ диентов идентичен их распределению зимой, однако величина их, за исключением экваториальной области, в несколько раз ниже. Максимальных величин градиенты достигают в вечернее время.

Вравноденственный период максимальные величины градиен­ тов встречаются также в вечернее время и занимают в основном область, близкую к экватору, и область геомагнитных широт от

50—60° с. ш.

Вдневные и утренние часы в равноденственный период значе­ ния градиентов в целом ниже, чем вечером. Максимум df0/dD

37

Рис. 16. Карта градиентов f0F2, связанных с изменением шпроты. Июнь 1958 г., полуденные часы

в это время наблюдается в области средних и высоких широт се­ верного и южного полушарий.

Приведенные здесь выводы получены на основании карт гео­

пределения величин градиентов для июня и января 1958 г. Изо­ линии, нанесенные пунктиром, соответствуют отрицательным ве­ личинам градиентов, сплошные — положительным при движении от севера к югу. Карты построены по данным 20 пар станций,

/оF2.

Указанные выше особенности изменения медианных широт­ ных градиентов достаточно согласуются с характером изменения градиентов в отдельные дни. Этот вывод получен в результате исследования географического, сезонного и временного распреде­ лений градиентов, рассчитанных по ежечасным ежедневным дан­ ным f 0F2 двадцати пар станций [52].

38