Экспериментальные исследования неоднородной структуры и динамики нижней ионосферы Земли при воздействии на нее мощным радиоизлучением

Диссертация посвящена исследованию пространственно-временных вариаций (структуры и динамики) естественных и искусственных плазменных образований в ионосфере Земли радиофизическими методами. Основу диссертации составили экспериментальные исследования нижней ионосферы методом резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях ионосферной плазмы, создаваемых полем мощных радиоволн наземного стенда. На основе измерений характеристик сигналов, рассеянных этими неоднородностями, разработаны и реализованы в ионосферных исследованиях способы определения ряда ионосферных параметров. Изучено влияние спорадических плазменных образований, и атмосферных волн на характеристики рассеянных сигналов. Значительное внимание уделено экспериментальным исследованиям неоднородной структуры искусственно возмущенной области ионосферы методами вертикального и наклонного зондирования. Определены параметры искусственных анизотропных неоднородностей и возмущенной области ионосферы при воздействии на нее мощными радиоволнами.

Актуальность темы

и предмет исследования.

Ионосфера Земли, параметры которой могут сильно изменяться под действием различных возмущений естественного и искусственного происхождения, существенно влияет на эффективность работы информационно-коммуникационных систем. В результате природных климатических явлений (тайфуны, ураганы, выбросы пепла и газов при извержении вулканов), техногенной деятельности человека (производство углекислого газа и других, несвойственных ей компонент — фреонов и хлорсодержащих газов), постоянного воздействия на верхнюю атмосферу солнечного излучения, потоков энергичных частиц, сгорания метеоров, приносящих на Землю миллионы тонн космического вещества в год, состав атмосферы и ее плазменная составляющая испытывают значительные пространственно-временные вариации. По этой причине контроль за состоянием атмосферы Земли и околоземного космического пространства приобретает все большее значение.

Область в атмосфере Земли, труднодоступная для исследования, охватывает интервал высот 50−150 км — области Б и Е — нижнюю ионосферу. Она обеспечивает взаимодействие термосферы, регулируемой солнечной активностью, и тропосферы, формирующей погоду и климат. Исследование этой во многом переходной области является одной из актуальных задач физики космической плазмы. Движения нейтрального газа на этих высотах могут искажать траектории ракет, здесь происходит сильное торможение космических аппаратов, которые и сами возмущают естественное состояние ионосферы. Для многих практических целей нужно иметь сведения о параметрах атмосферы: ионизации, температуре, плотности, динамике (в частности, ветровом режиме). Кроме того, в нижней ионосфере спорадически образуются тонкие протяженные плазменные образования часто с очень высокими по сравнению с фоновым значениями электронной концентрации, играющие значительную роль в распространении коротких и ультракоротких радиоволн — спорадические слои Е. Эти обстоятельства определяют значимость и актуальность исследований, связанных с измерениями важнейших характеристик нижней ионосферы, ее динамики. Направления исследований ионосферы, связанные с исследованием естественных плазменных образований, спорадического слоя Е, его неоднородной структуры, волновых и турбулентных явлений, являются важнейшими составляющими национальных программ в рамках исследования «космической погоды».

Прямые измерения в нижней ионосфере возможны только с помощью геофизических ракет. Ракета дает высотный разрез измеряемой величины в строго определенном географическом пункте. Все наземные радиофизические методы исследования ионосферы, определения ее параметров основаны на измерении характеристик распространяющихся в ней радиоволн. В настоящее время для исследования нижней ионосферы используются радиолокационное зондирование в диапазоне средних и коротких волн, метод некогерентного рассеяния, метод частичных отражений, акустическое и лазерное зондирование атмосферы, MST радары. Широкое распространение получили оптические методы исследований. В последнее десятилетие развивается метод просвечивания атмосферы в инфракрасном диапазоне. Каждый из указанных методов имеет как свои достоинства, так и определенные ограничения [59,64,73,122]. В этой связи по-прежнему актуальна разработка новых информативных методов измерений и использование их в практике ионосферных исследований.

Активные эксперименты в космосе, связанные, в том числе, с воздействием на ионосферу мощного радиоизлучения, привели к разработке новых методов диагностики ионосферы, основанных на контролируемом воздействии на нее [59,62,82]. С открытия в 1933 г. Люксембург-Горьковского эффекта, основанного на явлении кросс-модуляции, началось изучение взаимодействия мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой и его практическое использование. В дальнейшем было показано, что современные радиотехнические средства могут существенно влиять на свойства ионосферной плазмы, что, в свою очередь, влияет на процесс распространения радиоволн.

Семидесятые годы стали годами расцвета «нагревных» экспериментов, суть которых заключалась в исследовании отклика ионосферы Земли на контролируемое воздействие на нее полем мощных радиоволн КВ диапазона. Теоретическая сторона вопроса — роль нелинейных эффектов при распространении радиоволн в плазме (ионосфере) была к тому времени, в целом, уже разработана — у нас в стране В. Л. Гинзбургом и A.B. Гуревичем [76], за рубежом — W.F. Utlaut и R. Cohen [132], J.A. Fejer [169].

С развитием технических средств появилась возможность целенаправленно воздействовать на естественные ионосферные процессы, а стремление управлять этими процессами привело к развитию интенсивных экспериментальных исследований по воздействию на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. В дальнейшем результаты исследований в этом направлении были суммированы в [83], сформировалось новое научное направление, связанное с исследованием взаимодействия мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой.

Для экспериментальных исследований в этом направлении были построены специальные установки, позднее названные нагревными стендами, оснащенные мощными передатчиками КВ радиоволн, антенными системами с узкими управляемыми лучами и диагностической аппаратурой для регистрации сигналов от создаваемых возмущений. Единственным в мире среднеширотным нагревным стендом является стенд «Сура». На этих установках были открыты и исследованы разнообразные явления, вызываемые в ионосфере полем мощных радиоволн. В их числе: новое природное явление — низкочастотное излучение ионосферных токовых систем (эффект Гетманцева), плазменные неустойчивости разного рода, искусственная ионосферная турбулентность, оптическое свечение возмущенной области, искусственное радиоизлучение ионосферы, формирование искусственной ионосферной «линзы» и ее влияние на распространение радиоволн [59,82,105,154 и цитированную литературу]. Было обнаружено новое явление — образование в ионосферной плазме искусственной периодической структуры [53], что привело к созданию нового метода исследования ионосферы.

Существенно продвинуться в исследовании нижней ионосферыобласти области Е с межслоевой Е-Б впадиной, недоступной исследованию методом вертикального зондирования, позволил новый радиофизический метод, разработанный в ФГБНУ НИРФИ. Метод основан на создании в ионосфере в поле мощной стоячей волны искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы, зондировании их пробными, то есть не влияющими на среду распространения, радиоволнами, приеме сигналов, рассеянных периодической структурой, регистрации их амплитудно-фазовых характеристик, измерении высотно-временных зависимостей. На основе теории образования искусственных периодических неоднородностей (ИПН) разработаны способы определения большого числа характеристик ионосферы [54,161]. Принципиально важным моментом в применении этого метода для диагностики ионосферы является зондирование периодической структуры на стадии релаксации искусственных возмущений после окончания воздействия на ионосферу.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование неоднородной структуры и динамики нижней ионосферы при воздействии на нее мощным высокочастотным радиоизлучением, в том числе: диагностика нижней ионосферы перспективным методом измерений, основанным на резонансном рассеянии радиоволн на периодических неоднородностях электронной концентрации, создаваемых в поле мощной стоячей радиоволны нагревного стендаразработка и реализация новых способов определения характеристик нижней ионосферы: способа определения электронной концентрации на основе создания искусственных периодических неоднородностей с двумя разными пространственными масштабамиспособа определения характеристик спорадического слоя Е по времени релаксации рассеянного сигналаприменение традиционных методов исследования ионосферы, основанных на ее вертикальном и наклонном зондировании, к диагностике искусственных плазменных возмущений, возникающих в ионосфере Земли под действием мощного радиоизлучения, экспериментальное определение параметров возмущений.

Для проведения большинства экспериментальных исследований, связанных с воздействием на ионосферу, использовался уникальный среднеширотный нагревный стенд «Сура». Разработаны способы создания искусственных периодических неоднородностей, организованы короткие трассы наклонного зондирования широтного направления, выработаны режимы воздействия на ионосферу и определения параметров искусственных неоднородностей и невозмущенной ионосферы.

Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами и состоит в следующем.

1. Выполнен объемный цикл экспериментальных исследований нижней ионосферы новым радиофизическим методом, основанным на создании в поле мощной стоячей волны искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы на среднеширотных нагревных стендах «Зименки», «Сура» и низкоширотном стенде «Гиссар»: исследованы высотно-временные характеристики сигналов, рассеянных искусственными периодическими неоднородностями, на их основе получены новые сведения об основных параметрах ионосферы и нейтральной атмосферы на высотах 60−120 кмвпервые проведены регулярные измерения скоростей вертикальных движений в указанном интервале высот, изучены их сезонно-суточные вариациинайдены скорости турбулентных движений вблизи высоты турбопаузы.

2. Разработаны новые способы диагностики нижней ионосферы на основе создания искусственных периодических неоднородностей с двумя разными пространственными масштабами. Впервые новым методом проведены измерения электронной концентрации на высотах 90−120 км, получены высотные профили электронной концентрации, проведена их классификация по степени возмущенности регулярной ионосферы.

3. Изучены вопросы влияния спорадического слоя Е на амплитуду и фазу рассеянного сигнала. Выявлена высокая чувствительность метода, использующего ИПН, к обнаружению слабых спорадических слоев. Предложен способ определения массы и концентрации преобладающих положительных ионов в слое Е5, основанный на измерении времени релаксации рассеянного сигнала и скорости вертикального движения плазмы.

4. Проанализировано влияние волновых движений в ионосфере на характеристики рассеянных сигналов и параметры ионосферы и нейтральной атмосферы. Обнаружено влияние возмущения от наземного промышленного взрыва при его распространении на высоты 50−80 км по изменению амплитуд сигналов, рассеянных искусственными периодическими неоднородностями, и скорости вертикального движения. Показано, что подобное волновое возмущение приводит к разрушению ИПН.

5. Впервые экспериментально исследованы возмущения электронной концентрации, возникающие в ионосфере под действием мощного радиоизлучения, одновременно методом вертикального зондирования и обратного рассеяния радиоволн на коротких среднеширотных трассах. Показано, что возмущение плазмы распространяется ниже высоты резонансного взаимодействия мощной волны с плазмой на 40−120 км.

Методы и подходы, используемые в диссертации.

В экспериментальных исследованиях характеристик нижней ионосферы используются: новый метод резонансного рассеяния радиоволн специально создаваемой квазипериодической структурой — метод резонансного рассеяния радиоволн на ИПН, традиционный метод вертикального зондирования, метод многочастотного наклонного импульсного зондирования возмущенной области ионосферы радиоволнами КВ диапазона. Зондирование ионосферы проводится с использованием современных методов цифровой регистрации и обработки сигналов на основе как оригинальных специально разработанных программ, так и с применением стандартных методик.

Для оценки влияния различных природных факторов на высотно-временные характеристики ионосферных параметров используется большой объем данных, полученных по результатам измерений амплитуды и фазы сигнала, рассеянного периодическими неоднородностями. Такой подход позволяет получать практически одновременно сведения о большом числе ионосферных параметров: скоростях вертикальных и турбулентных движений, электронной концентрации, температуре и плотности нейтральной атмосферы, характеристиках спорадического слоя Е и волновых движений.

Применение специальных режимов воздействия на ионосферу и диагностики возмущений позволяет исследовать параметры возмущений, масштабы неоднородностей, скорости распространения возмущений вниз от высоты отражения мощной волны.

Научное и практическое значение диссертационной работы состоит в следующем.

Реализация в эксперименте метода диагностики регулярной ионосферы на основе создания искусственной квазипериодической структуры показала перспективность его использования для исследований нижней ионосферы, в том числе для регистрации и изучения параметров слабых спорадических плазменных образований, мало доступных другим методам диагностики. Использование нового метода исследования ионосферы с помощью создания искусственных периодических неоднородностей позволяет получать сведения о важнейших параметрах регулярной («естественной») ионосферы методами активного воздействия на нее.

Полученные автором основные результаты являются новыми, они существенно дополняют известные сведения о динамике нижней ионосферы, ее неоднородной структуре как в естественных условиях, так и при возмущении ионосферы мощными радиоволнами.

Результаты, связанные с регистрацией искусственного возмущения на высотах значительно ниже высоты области резонансного взаимодействия мощной волны с ионосферной плазмой, представляют интерес с теоретической точки зрения для исследования механизма передачи возмущения из верхней в нижнюю ионосферу.

Практическая значимость работы состоит в совершенствовании метода резонансного рассеяния радиоволн, его использовании для диагностики нижней ионосферы, в том числе межслоевой Е-Б впадины, недоступной исследованию традиционным методом вертикального зондированияв разработке и реализации оригинального способа определения параметров спорадического слоя Е — сорта и концентрации долгоживущих металлических ионов в слое на основе измерения характеристик сигналов, рассеянных ИПНразработке и применении в исследованиях нижней ионосферы нового метода измерения электронной концентрации, основанного на создании искусственных периодических неоднородностей с двумя разными пространственными масштабами (на двух частотах).

В перспективе объединение метода частичных отражений и метода резонансного рассеяния на ИПН позволит проводить мониторинг нижней ионосферы на высотах 60−120 км с определением большого числа параметров как плазменной, так и нейтральной ее составляющих.

Обоснованность научных положений и выводов, достоверность полученных результатов обусловлены: теоретическим обоснованием нового метода исследования ионосферы на основе создания искусственных периодических неоднородностей и его экспериментальной проверкойповторяемостью результатов в цикле однотипных экспериментовиспользованием апробированных методов исследования ионосферывертикального и наклонного зондированияприменением современных методик регистрации и обработки экспериментальных данныхстатистически значимым объемом данных по измерению параметров ионосферысопоставлением результатов экспериментальных исследований с существующими теоретическими представлениями и с известными результатами других авторовэкспертными оценками при публикации основных результатов исследований в рецензируемых научных изданиях.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментальных исследований характеристик рассеянных сигналов и параметров нижней ионосферы методом резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях электронной концентрации.

2. Результаты экспериментальных исследований волновых и турбулентных движений, их роли в вариациях характеристик рассеянных сигналов и параметров нижней ионосферы.

3. Новый способ диагностики нижней ионосферы, заключающийся в создании искусственной периодической структуры с двумя разными пространственными масштабами — двухчастотный способ определения электронной концентрации в Е-области ионосферы.

4. Способ и результаты определения параметров спорадического слоя Е — массы и концентрации преобладающих положительных ионов в слое Е5.

5. Результаты экспериментальных исследований искусственных возмущений и параметров искусственных среднемасштабных неоднородностей (с поперечным относительно геомагнитного поля масштабом сотни метров), их динамики методами вертикального и наклонного зондирования на коротких радиотрассах.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на Международных Суздальских симпозиумах URSI по модификации ионосферы мощным излучением (Суздаль, 1986, 1988, 1991; Уппсала, Швеция, 1994; Москва, 1998, 2004, 2007), на XXIII, XXV, XXVI, XXIX Генеральных ассамблеях URSI (Прага, 1990; Лилль, Франция, 1996; Торонто, Канада, 1999; Чикаго, США, 2008), на 30−38 Генеральных ассамблеях COSPAR (Гамбург, Германия, 1994; 1996; Нагойя, Япония, 1998; Линдау, Германия, 2006; Монреаль, Канада, 2008; Бремен, Германия, 2010) — на XXV, XXVII Генеральных ассамблеях EGU (Ницца, Франция, 2000, 2002), XXI Генеральной ассамблее IUGG (Боулдер, США, 1995) — 1 S-RAMP конференции, Саппоро, Япония, 2000; RF Ionospheric Interaction Workshop (Санта Фе, США, 2003, 2004; Боулдер, США, 2009) — на XVI Всесоюзной (Харьков, 1990) и XVII (Ульяновск, 1993), XVIII, XIX (Казань, 1999), XX (Нижний Новгород, 2002), XXI (Йошкар-Ола, 2005), XXII (Ростов-на-Донуп. Лоо, 2008), XXIII (Йошкар-Ола, 2011) Всероссийских конференциях по распространению радиоволн, Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Конверсия вузов — защите окружающей среды», Екатеринбург. 1994; 14 научной конференции по радиофизике (7 мая 2010 г., Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского), а также регулярно докладывались на семинарах ФГБНУ НИРФИ.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 104 работы. Из них 41 статья — в рецензируемых журналах, в том числе 33 — в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ (УФН, Геомагнетизм и аэрономия, Известия ВУЗов.

Радиофизика), 5 статей в международных журналах (Radio Science, Journal Atmospheric and Solar Terrestrial Physics, Physics Review Letters, Radio Physics and Radio astronomy), 2 препринта НИРФИ, 56 работ — полные тексты и тезисы докладов в трудах всероссийских и международных конференций.

При финансовой поддержке РФФИ (грант № 99−05−78 032) издана монография Беликович В. В., Бенедиктов Е. А., Толмачева А. В., Бахметьева Н. В. «Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей». — Н. Новгород: ИПФ РАН. 1999. 156 е., впоследствии дополненная новыми результатами и переведенная на английский язык и изданная издательством Copernicus.

Личный вклад автора.

Большая часть экспериментальных исследований выполнены при личном участии автора. Расчеты, приведенные в диссертации, выполнены автором. В тех случаях, когда приводятся экспериментальные и теоретические результаты, полученные другими авторами, в диссертации приводятся соответствующие ссылки. Учитывая то обстоятельство, что экспериментальные исследования с использованием нагревных стендов, сложных диагностических установок со значительным объемом получаемых данных невозможно провести единолично, большинство работ автора по теме диссертации написано в авторских коллективах.

Экспериментальные исследования 1990;1992 гг. проводились под руководством Е. А. Бенедиктова в рамках изучения динамических явлений в ионосферной плазме. Автором диссертации обработан, проанализирован и проинтерпретирован обширный экспериментальный материал по измерению скоростей вертикальных и турбулентных движений.

Автору принадлежит методика (способ) определения ионного состава и концентраций металлических ионов в спорадическом слое Е. Участие соавторов в разработке нового двухчастотного метода измерения электронной концентрации равноправное. Автором получены основные результаты экспериментов по исследованию характеристик сигналов обратного рассеяния и наклонного зондирования радиоволн на коротких трассах. Организация и проведение экспериментов последних лет осуществлялась лично автором. Все выводы диссертационной работы принадлежат автору.

Благодарности.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность своим учителям в науке Е. А. Бенедиктову, В. В. Беликовичу и Ю. А. Игнатьеву. Автор выражает искреннюю благодарность своим коллегам и соавторам Е. А. Бенедиктову, В. В. Беликовичу В. Ф. Брянцеву, В. Н. Бубукиной, С. А. Дмитриеву, В. А. Иванову, Ю. А. Игнатьеву, Н. П. Гончарову, Г. И. Григорьеву, В. Д. Вяхиреву, Л. М. Каган, Е. Е. Калининой, Г. С. Коротиной, С. Н. Матюгину, А. А. Понятову, А. В. Толмачевой, В. Л. Фролову, П. Б. Шавину, В. В. Шумаеву, принимавшим участие в выполнении работ, результаты которых составили основу данной диссертации. Автор благодарит В. О. Рапопорта за доброжелательное обсуждение диссертации и полезные замечания. Автор выражает благодарность коллективу лаборатории «Васильсурск» и лично Г. П. Комракову за инженерное обеспечение «нагревных» экспериментов и помощь в организации наблюдений.

Все исследования, результаты которых представлены в диссертации, выполнены в соответствии с планом работ ФГБНУ НИРФИ. Автор отмечает, что успешному проведению экспериментальных исследований способствовала также финансовая поддержка РФФИ: гранты № 93−05−9661, № 95−05−15 086 (руководитель), № 96−05−65 130, № 97−05−64 397, № 00−564 695 (руководитель), № 02−05−65 281, № 04−05−64 140 (руководитель), 08−297 036 (руководитель), 09−05−450 (руководитель), 11−02−28 (руководитель), а также ряда экспедиционных грантов РФФИ. Работа была поддержана также Международным научным фондом Дж. Сороса (1994— 1995 гг., гранты ЫОУООО и ЫОУЗОО).

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из Введения, шести глав, Заключения, Списка использованной литературы из 193 наименований. Объем диссертации составляет 320 страниц, включая 67 рисунков и 4 таблицы.

6.9. Выводы.

Кратко суммируем результаты экспериментальных исследований в КВ диапазоне неоднородной структуры и динамики области ионосферы, возмущенной излучением нагревного стенда. Впервые проведен цикл экспериментов с целью исследования структуры и динамики возмущенной области и характеристик искусственных среднемасштабных неоднородностей (поперечный относительно геомагнитного поля размер сотни м), возникающих вблизи точки отражения мощной волны в результате самофокусировочной неустойчивости.

Методом обратного рассеяния при многочастотном зондировании при возмущении ионосферы излучением нагревного стенда «Сура» обнаружены вытянутые вдоль геомагнитного поля неоднородности электронной концентрации с поперечными размерами /х ~ 100−700 м с относительным.

ДАТ ^ изменением электронной концентрации в них —~ (0,5¹)-10 .

Неоднородности регистрировались через 10−30 с после начала нагрева и занимали область высот по горизонтали порядка 80 км, что в два раза больше размера области, освещаемой диаграммой направленности антенной системы нагревного стенда (по уровню половинной мощности). По вертикали неоднородности обнаруживались на высотах ниже высоты мощной волны на 60−120 км в разных ионосферных условиях экспериментов. Эффективная скорость распространения (возникновения) неоднородностей из области возмущения составила 2−3 км/с.

Определены времена развития, релаксации и исследованы статистические характеристики обратно рассеянных сигналов, их зависимость от мощности нагревного стенда. В частности, продольный радиус пространственной корреляции сигналов составил 150−500 м (поперечный 80 350 м) на частоте 3,65 МГц и уменьшался с ростом частоты.

Методом разнесенного приема на систему из шести антенн, расположенных практически вдоль и попрек направления приемно-передающий пункт — стенд «Сура» измерены скорости дрейфовых движений в ионосфере на высотах 130−210 км, которые составили 65−210 м/с с направлениями преимущественно на северои юго-восток.

Методом наклонного зондирования на коротких радиотрассах были детально изучены характеристики и динамика среднемасштабных искусственных неоднородностей, исследовано их влияние на распространение КВ радиоволн.

Выполнен цикл экспериментальных исследований механизма распространения или возникновения возмущения электронной концентрации на высотах нижней ионосферы при искусственном нагреве ионосферной плазмы в Р-области. При возмущении ионосферы излучением обыкновенной компоненты мощной волны на частоте 4,3 (4,7) МГц с эффективной мощностью 80 МВт и вертикальном зондировании ее пробными радиоволнами на частоте 2,95 МГц зарегистрировано влияние на зондирующий сигнал искусственного возмущения на высотах ниже высоты отражения мощной волны на 40−120 км. Не выяснен до конца механизм распространения возмущения вниз от области резонансного взаимодействия мощных радиоволн с ионосферной плазмой.

Во время сеансов нагрева на высотах как ниже, так и выше зеркального отражения пробной волны через 3−20 с возникали дополнительные диффузные отражения пробных радиоволн обыкновенной (необыкновенной) поляризации, связанные с искусственным воздействием на ионосферу. Возмущения возникали как при коротких (5−10 с) так и при более длительных (5−10 минут) интервалах воздействия. Показано, что наиболее вероятно на пробные волны частотой 2,95 МГц оказывало влияние возмущение Е-слоя ионосферы и нижней части слоя Б1. Появление во время нагрева дополнительных сигналов могло обеспечиваться ростом электронной концентрации в нижней ионосфере при нагреве и усилением ее неоднородной структуры.

При коротких нагревах наблюдался эффект последействия, когда максимального значения амплитуда сигнала достигала через 5−10 с после окончания нагрева, и эффект накопления, когда наблюдался рост амплитуды сигнала в каждом последующем сеансе нагрева. Вероятно, такие особенности развития во времени эффектов нагрева могли обеспечиваться развитием плазменных неустойчивостей при нагреве.

Заключение

.

В заключение сформулируем основные результаты диссертационной работы.

1. На основе выполненного цикла экспериментальных исследований по воздействию на ионосферу Земли мощного радиоизлучения, проведенного с использованием среднеширотных нагревных стендов «Зименки» (56,16°]- 44,26°Е), «Сура» (56,12°1Ч- 46,03°Е) и низкоширотного стенда «Гиссар» (38,5°1Ч- 68,8°Е), методом резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях ионосферной плазмы, создаваемых в поле мощной стоячей радиоволны, определены характеристики нижней ионосферы: электронная концентрация, параметры спорадического слоя Е, характеристики нейтральной атмосферы — скорости вертикальных и турбулентных движений.

Изучено влияние вертикального движения плазмы на амплитуду и фазу рассеянного сигнала. Теоретически доказанное положение о том, что искусственные периодические неоднородности во время их релаксации после окончания нагрева увлекаются движениями нейтрального газа, использовано для определения скорости вертикального движения плазмы по измерению фазы рассеянного сигнала.

Изучены вариации скорости вертикального движения плазмы на высотах 60−120 км в дневное время на основе цикла измерений с сентября 1990 г. по май 1991 г. (за исключением летних месяцев). Выявлен сложный характер сезонно-суточных вариаций вертикальной скорости, при этом на высотах, больших 90 км, в целом преобладали движения вверх. Нисходящие потоки преобладали в ноябре 1990 г. Среднемесячные значения вертикальной скорости составили до 1 м/с на высотах ниже 90 км и 1,4—4,6 м/с на больших высотах. В летние месяцы 1999;2010 гг., когда проводились не столь долговременные измерения, средние значения скорости в основном изменялись от -5 до +5 м/с.

Во временной зависимости вертикальной скорости выделены волновые движения с периодом от 5−10 минут до 4−5 часов. Показано, что относительно большие значения вертикальной скорости (до нескольких метров в секунду) могут быть вызваны прохождением внутренних гравитационных волн различных масштабов. Масштаб волновых движений по высоте составил 7−15 км. В летнее время в ночные часы наблюдались спорадические слои, снижавшиеся с эффективной скоростью 1−10 м/с.

Экспериментально изучено влияние турбулентных движений нейтральной компоненты на амплитуду сигнала, рассеянного ИПН, что уменьшает амплитуду рассеянного сигнала и ускоряет его релаксацию. На основе измерений высотного профиля времени релаксации рассеянного сигнала средние за 15 минут значения турбулентной скорости составили единицы (до 5−7) метров в секунду. По оценкам, высота турбопаузы в феврале 1991 г. находилась в интервале 101−105 км, в сентябре 2007 г. — в интервале 95−100 км.

2. Разработаны новые способы диагностики параметров нижней ионосферы, в которых используются теоретические представления о временной эволюции искусственных периодических неоднородностей на стадии их релаксации.

Предложен, обоснован и экспериментально проверен новый способ определения электронной концентрации на высотах Е-области ионосферы, основанный на создании искусственных периодических неоднородностей излучением мощных радиоволн на двух частотах, то есть с двумя пространственными масштабами. В предположении диффузионного механизма релаксации ИПН отношение времен релаксации, измеренных на двух частотах, однозначно определяется этими частотами, гирочастотой электронов и электронной концентрацией, что позволяет рассчитать последнюю. Выполнены и проанализированы измерения профиля электронной концентрации двухчастотным методом.

Предложена и реализована методика оценки массы преобладающих ионов в спорадическом слое Е, основанная на зарегистрированном увеличении времени релаксации сигнала на высоте слоя. Методика базируется на теоретическом выводе о том, что релаксация ИПН после окончания нагрева обусловлена амбиполярной диффузией, а время релаксации пропорционально произведению массы ионов и частоты соударений ионов с нейтральными молекулами.

Предложена и реализована методика оценки важных характеристик спорадического слоя Е: концентраций металлических ионов в слое Es и эффективного коэффициента рекомбинации. Для оценок используются результаты экспериментального определения профилей электронной концентрации и скорости вертикального движения плазмы, полученные методом резонансного рассеяния радиоволн.

3. Экспериментально обнаружено и изучено влияние ВГВ на характеристики рассеянных сигналов и параметры ионосферы. Показано, что распространение ВГВ различных масштабов вызывает квазипериодические вариации амплитуды и времени релаксации рассеянного сигнала и, соответственно, скоростей вертикальных и турбулентных движений, электронной концентрации, температуры и плотности нейтральной атмосферы.

Впервые методом ИПН исследовано влияние возмущений, вызванных в ионосфере наземным промышленным взрывом, на динамику искусственных периодических неоднородностей области D. Наблюдалось согласованное с временем распространения возмущения до высот 50−80 км значительное (в 10−20 раз) уменьшение амплитуды рассеянного сигнала, которое интерпретировано как результат прохождения ВГВ с вертикальными скоростями 30−50 м/с. На фоне интенсивных флуктуаций вертикальной скорости на высотах D-области (61−76 км) наблюдалось увеличение частоты колебаний скорости в течение 1,5−2 часов после взрыва с последующим восстановлением средней скорости в течение двух часов.

На основе одновременных измерений вертикальной скорости плазмы, температуры и плотности нейтральной атмосферы проведено моделирование характеристик ВГВ. Оно показало, что рассчитанные на основе поляризационных соотношений для низкочастотных волн по измеренным амплитудам вертикальной скорости относительные амплитуды вариаций температуры и плотности атмосферы удовлетворительно соответствуют измерениям лишь для волн с периодами 15−30 минут.

4. Впервые изучено влияние дополнительного (по отношению к созданию ИПН) нагрева ионосферы на характеристики рассеянных сигналов.

При периодическом воздействии на ионосферу радиоволнами обыкновенной (необыкновенной) поляризации с образованием искусственных периодических неоднородностей наблюдалось увеличение интенсивностей всех сигналов, рассеянных областями Э, Е, Б и спорадическим слоем Е, в среднем на 5−20 дБ. Это новый эффект, который впервые наблюдался в экспериментах по исследованию ИПН. Наблюдавшийся эффект являлся резонансным и при отстройке частоты пробной волны на 85 кГц пропадал. Усиление сигналов при воздействии на ионосферу объяснено модуляцией естественного профиля электронной концентрации искусственно создаваемой периодической структурой.

5. Методом обратного рассеяния радиоволн при многочастотном зондировании возмущенной области обнаружены вытянутые вдоль геомагнитного поля неоднородности электронной концентрации с поперечными размерами 100−700 м и относительным изменением электронной концентрации в них (0,5—4)'10″ 3. Неоднородности регистрировались через 10−30 с после начала нагрева и занимали область высот по горизонтали порядка 80 км, что в два раза больше размера области, освещаемой диаграммой направленности антенной системы нагревного стенда (по уровню половинной мощности). По вертикали неоднородности обнаруживались на высотах ниже высоты отражения мощной волны на 60 120 км в разных ионосферных условиях экспериментов. Эффективная скорость распространения (возникновения) неоднородностей из области возмущения составила 2−3 км/с. Методом наклонного зондирования на коротких радиотрассах были детально изучены характеристики и динамика среднемасштабных искусственных неоднородностей, исследовано их влияние на распространение КВ радиоволн.

6. Экспериментально исследован механизм распространения или возникновения возмущения электронной концентрации на высотах нижней ионосферы при отражении мощной волны в Р-области. При возмущении ионосферы излучением обыкновенной компоненты мощной волны на частоте 4,3 (4,7) МГц с эффективной мощностью 80 МВт и вертикальном зондировании ее пробными радиоволнами на частоте 2,95 МГц зарегистрировано влияние на зондирующий сигнал искусственного возмущения на высотах на 40−120 км ниже высоты отражения мощной волны.

Совокупность полученных в диссертации результатов можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в изучении неоднородной структуры и динамики нижней ионосферы и введение в практику ионосферных исследований новых методов диагностики.