книги из ГПНТБ / Филипп, Н. Д. Рассеяние радиоволн анизотропной ионосферой

чекие 25 мин..проводилось пос-

Т а б л и ц а

3

лѳдетекторное

суммирование

Параметры передатчика

для уменьшения уровня

шумов

приблизительно на 27 дБ. Ха­

Частота

501

МГц

рактеристики

сумматора тако­

Максимальная мощность

100

кВт

вы,

что он

сильно

подавлял

передатчика

отраженные

сигналы

малой

Длительность

передава­

160 мкс

длительности.

емого

импульса

Шѵмовая температура

Наблюдения проводились в

П0°К

системы

мае

1964 г.

в

течение

10 дней

Длина

волны

0,60м

на

географической

широте

Усиление антенны

39 дБ

52,1°

и восточной

долготе

Полуширина луча

2,2°.

Азимутальный угол

лу­

Передача и поием про­

ча радиолокатора -

15°,

а

изводились различными

антеннами

угли возвышения для соответ-

-

14,

16

и 18°.

При угле

возвы'

стяующих периодов

суммирования

іиения 18° и ф — 0

,

где Ф -г угол

отклонения

от перпендикуля­

ра к силовым линиям магнитного

поля в точке отражения,

обнару­

живается дополнительный

сигнал

с

высоты около

100

км,

времена-

ми превосходящий сигнал

некогерентного

рассеяния

Сі 4і

]

и

об-

ладающий максимумом в

утренние

часы.

На

рис. 63

изображены

суточные вариации интенсивности

такого

сигнала

с высоты 105 км

для двух углов возвышения. Установлено,

что

из

области

перпен­

дикулярного

отражения

регулярно

поступают сигналы,

в то

время

как при смещении направления луча радиолокатора только

на

его

ширину в область, где

Ф = І А °

,

наблюдается лишь сигнал

не­

когерентного

рассеяния.

Спедовательно, эти дополнительные

сигна­

лы характеризуются

большой угловой

чувствительностью и возни­

кают, вероятно,из-за отражений

от областей ионизации, распола­

гающихся параллельно

геомагнитным

силовым линиям.

Значение

местного магнитного К-индекса во

время

эксперимента было,

как

правило, очень низким, в 90% случаев

К ^ З .

По-видимому,

даже

при очень спокойных магнитных условиях

имеется некоторая

об­

риации (рис. 63)

сходны с

соответствующими

вариациями

отраже­

ний от метеорных следов и существенно отличаются от

вариаций

радиоотражений

от

полярных

сияний.

Обычное

количество

метеор­

ных отражений,

полученное

на частоте

порядка

500 МГц,

не дает

налов

от угла

Ф . При этом луч антенны имел

последовательно

углы

наклонов

20,

18

и 16°

и азимут

15°

в .д .

Затем та

же

се­

рия наблюдений проводилась при азимуте 75°

в .д . Полное

время

наблюдения при каждом положении луча

- примерно 26

ч,

В табл.

5

сведены результаты наблюдений метеорных отражений.

В пяти

из шести

положений луча

число

отражений практичес­

ки одинаково,

однако

из

области, где

Ф ~ 0

,

оно

оказывается

наибольшим. Распределение длительности отраженных

сигналов

при

каждом положении [ІЗЭ] показывает,

что все

они,за

исключением

одного,

сходны между

собой

и имеют максимум в

интервале

от

0,06

до

0,12

с.

Распределение

же

для

сигналов

из

области

перпен­

дикулярного

отражения имеет максимум в интервале 0,12

-

0,25 с

и больгауто,

по

сравнению

с другими,

долю длительных отражений.

Т а б л и ц а

5

Азимут

Угол

Ф,

Среднее

Полная

интег­

подъема,

град

число от­

ральная

дли­

град

ражений

тельность

от­

в час

ражений,

с

І5 °з.д .

20

+

1,8

2,4

23

18

0,0

3,2

67

75°в.д.

16

-

1.4

2,4

12

20

>+

15

2,5

12

18

>+

15

2,3

22

16

>+

15

1,9

14

Значения длительностей сигналов

при каждом положении луча

(табл.

5)

подтверждают

наличие большой длительности

отражений

от

метеорных следов,

параллельных

силовым линиям. Из тэбл.5 также

видно,что когда

угол

Ф

достаточно

велик,

то не существует боль­

шого различия между числом отражений при углах

возвышения 16

и

20°

и

знак угла

Ф

не

существен. Таким образом.

экепе-

ртоенты показал«,

что

отражения от

метеорных следов,параллель­

ных силовым линиям,

происходят

чаще

и имеют

большую

длитель­

ность,

чем отражения от

непараллельных

силовым линиям

следов.

Метеорные

следы,

параллельные

силовым линиям,

составляют

лишь небольшую

часть

следов,

перпендикулярных

направлению

лу­

ча радиолокатора. Следовательно, если предположить, что

увели­

чение числа отражений и длительности сигналов при угле

наклона

18°

происходит

только

благодаря метеорным следам, параллельным

силовым линиям,

то

окажется,

что даже для

небольшого

увеличе­

ния числа

отражений

в

час и длительности

требуется

увеличе­

ние общего количества метеорных следов

до

значения,

в несколько

раз превышающего нормальное. Наиболее

правдоподобное

объясне­

ние

увеличения

числа

отражений

и длительности

отраженных

сиг­

налов

заключается в

том, что коэффициент

амбиполярной

диффу­

зии поперек магнитного поля существенно занижен. Эффект

умень­

шения коэффициента диффузии конкурирует с "эффектом

конечной

скорости",

снижающим амплитуду

сигналов

на

коротких

волнах

[ 1 4 2 ] .

Поскольку метеоры обладают

конечной

скоростью

распро­

странения,

их следы успевают рассеяться,

прежде чем образуется

полная

зона Френеля.

В результате

эффективная длина

рассеяния

L

будет

гораздо

меньше радиуса первой

зоны Френеля

где

R - дальность. Длина

L ^ Ѵ Г ,

где

V

-

скорость метеора,

Т -

длительность отраженного сигнала, определяемая из

соотношения

Т= л 2/

16

,

и

D

- коэффициент амбиполярн^й диффузии .Тог­

да амплитуда отраженного сигнала будет в

раз

мень­

ше амплитуды,

предсказанной

с помощью простой

теории

Лоувелла

и Клегга [143] . В этих экспериментах

- у * - / V 7"«=

30,

а

ио-

онолвду число

отражений

приблизительно

пропорционально

ампли­

туде, то для часового

числа

получается

соответствующее

пониже­

ние.

В результате

уменьшения коэффициента диффузии

увеличива­

ется

длина рассеяния.

Если коэффициент

диффузии существенно

за­

нижен, то эффект конечной скорости будет полностью

подавлен и

наблюдаемое число отражений возрастет в

30

раз. Такое увеличе­

ние

совпадает

с

увеличением

для метеорных

следов,

параллель­

ных силовым линиям.

Следовательно,

отмеченное увеличение

коли­

чества

и длительности

отраженных сигналов

согласуется с

пред­

положением о

сильном

уменьшении коэффициента диффузии

поперек

магнитного

поля.

При малых длинах волн существует еще один эффект,

сущест­

венно снижающий

число

наблюдаемых отражений

и обусловленный

тем,

дительно показывают, что

большинство вспыткообразннх

сигналов

НЕ~рассеяния на средних

широтах обладают метеорной

природой.

Этот

(факт подтверждается

экспериментами, проведенными

в диапа­

зоне

частот от нескольких десятков МГц до

500

МГц.

Эксперименты на 44

и 74 МГц показали,

что

на средних ши­

ред в общем балансе времени прохождения радиоволн

достаточно

велик. На 200

МГц при рассеянии вперед такие сигналы

также

об­

наруживаются, однако их доля в суммарном времени

прохождения

радиоволн значительно меньше,

чем для вспыткообразннх сигналов.

На 500 МГц при обратном рассеянии

квазинепреривнпе

сигналы

не

обнаружены. Эксперименты на

500 МГц проводились в период

мини-

глума активности Солнца при магнитно-спокойной ионосфере.

Перио­

ды проведения

экспериментов

на

44,

74

и 200 і'ІГц не совпадают

с периодами минимума активности Солнца ; сведениями о

магнитном

состоянии ионосферы в это время

экспериментаторы

не распола­

гали.

Не исключено,

что С139 ]

неоднородности, порождающие

диф­

фузные сигналы, появляются

только

при определенных

значениях

ионосферных токов,

сопровождающихся

соответствующими

магнит­

ными возмущениями

ионосферы.

С другой

стороны, при оценке

воз­

что зависимость мощности рассеянных сигналов от частоты неоди­

накова .для различных типов сигналов. Если мощность

диффузных

мерениям на

44 я 74 МГц), то при вспышкообразных сигналах

эта

зависимость

значительно слабее.

Менее изученные квазинепрерывные

/^-сигналы

схожи

(см.

§2,гл.Ш) с

"диффузными" радиоотражениями от полярной ионосферы,

природа которых также до конца не выяснена.

Возможно, что

в обо­

их случаях

механизм рассеяния один и тот

же,

хотя

первоначаль­

ные источники таких анизотропных неоднородностей

могут быть раз­

личными. Учитывая сходство этих двух видов сигналов,

полезно при­

вести для сравнения краткие сведения о диффузных

радиоотраже­

ниях от полярной ионосферы.

Характер радиоотражений от полярной ионосферы.

Некоторые

исследователи авроральных радиоотражений пытаются

свести все ви­

ды сигналов к отражению от полярных

сияний, другие

же

ставят

этот вывод под сомнение. Так, при определении термина

"радио-

сияние",

введенного Коллинзом и Форситом

[ 6 6 3 ,

означающего

ионизацию, связанную- с сиянием,

и

приводящего

к

определенным

характерным типам радиоотражений ультракоротких радиоволн,

уже

допущена некоторая

неопределенность

в словах "овязанная с

сия­

нием". По мнению Чемберлена

[ 3 8 ] ,

эта

неопределенность состр­

ит в том,

что не всегда очевидно,

действительно

ли данный

сиг­

нал отражается от полярного сияния.

Большинство исследований радиоавроры "радиосияний"

были

выполнены радиолокационным способом.

Обобщение этих эксперимен­

тов, проведенных до

1956 г .,

было

сделано Литлом [ 149] ,

а

поз­

же Букером [5 0 ] .

Как отмечается

в ряде

работ и в

[б б ]

,

нет

единой интерпретации полученных

экспериментальных данных.

Ис­

пользуя так называемый бистатический метод (наклонное

зондиро­

вание) на

обширной сети трасс (рис.

64),

работая

на нескольких

частотах в полосе 30 - 50

МГц, Коллинз и Форсит

[66 ]

раздели­

ли сигналы, отраженные от

сияния, на три типа:

А ( А,

, Аа , А3),

подобные квазинепрерывнш

Н£-сигналам. £ и S ' t

подобные

сигналам при некогерентном

ионосферном рассеянии. Использова­

ного сияния не ново: к нему обращались

Дайс [ 150 ] , Ловѳл[і 5і ]

и др. Однако работа Коллинза и Форсита

-

первое

целенаправлен­

ное исследование физической природы радиоавроры

и различных ме­

Злк.тги

137

ханизмов отражения. Признаки, по которым Коллинз

и Форсит

раз­

делили

сигналы типа А на три вида - Ар А2, Аэ ,

не очень четки.

Как Ар

так и А2 подобны квазинепрернвным сигналам,

только

ча­

стота замираний у Aj больше, чем у А2, кроме того ,

ракурсная

казали дальнейшие

исследования,

сигналы типа Ад - это

разновид­

ность

сигналов

<5

и

£ ,

все

они

обусловлены рассеянием от не­

однородностей

спорадических

слоев

£ 5

ионосферы.

(

В [66 ]

отмечается,

что на широтных трассах сигналы типа

Aj проходят чаще,

а

на долготных -

очень

редко. Такое

утвержде­

ражения более близки к условиям зеркальности

д7

= 90°,

чем

на

долготных.

Поэтому сигналы типа

Ар

обладающие большей

угло­

вой чувствительностью, на таких трассах не появляются.

Отметим,

что при исследовании прохождения

^-сигналов на частотах

44,

№

74 и 200 МГц условие

зер­

кального

отражения

соблю­

далось полностью (рис.

15).

Как видно, на трассах,

расположенных на неодинако­

вых геомагнитных широтах под

различными

углами

относи­

тельно

направления магнит­

ного поля Земли, суточный

ход

активности

суммарного

сигнала

будет-

различным в

зависимости

от

того,

какие

виды сигнала лучше проходит.

При этом избирательность

по

в

видам сигналов

усилится или

9

ослабнет

в

зависимости

от

90

ширины диаграмм

направлен­

ности

используемых

антенн,

200

400

600

800 й, км

их ориентации и длины вол­

Р и с .65

[бб]

ны.

'/Ніи иная, мі’о сигналы

тш а £

, S

и

А3 распространяют­

ся в основном только через

участки

слоя

£

ионосферы, близко

ник [ 66]

(угол между падающим лучом

и

плоскостью большого

круга не

более 10°), а сигналы типа A

(Aj

и Ag)

рассеиваются

га на

сотни километров

(рис. 65), эти два

типа

сигналов

можно

легко

разделить,

используя

узконаправленные антенны,

как

в

экспериментах на

200 МГц- L 58 -

60 3

или на 74

МГц

[ 88 ] .

В табл. 6 приведен процент

времени прохождения

различных

видов сигнала на трех трассах,

из представленных на рис.

64. В

летних

экспериментах'

1970

г . 1

1

Т а б л и ц а .

6

процент времени

прохождения

Геомаг­

% времени

квазинепрерывного

Н£-сигнала

на широтной трассе

(рис.

16)

Трас­нитная

прохождения

са

широта

при частоте74 МГц был

больше

средней

(ом.раздел Уб, гл.Ш),

несмот­

точки

£

5

й

ря на

то, что

используемая

трассы

9

56,7°

0,25

5,6

3.7

длина волны - короче. Правда,

в осенних экспериментах 1969

8

58,9°

0,2

3,6

5,9

и 1971

гг . на этой же трассе

I

64,0°

1.2

12,14

8,9

процент времени

прохождения

не превосходил значения парамет-

квазинепрерывных

^-сигналов

ра для типа А,

Сравнивая эти сигналы,

надо учесть

различие в

параметрах трассы:

в

экспериментах на

74

МГц условие

зеркаль­

ности отражения

соблюдалось полностью,

в

отличие

от

трасс

I -

9 (рис. 64, 65),

угол рассеяния был более

выгодным,

мощность

передатчика больше, а антенны более узконаправленными.

Аспинал и Хакинс L152 Л и др,

различают два основных

типа

области большой протяженности (возможно, несколько сотен

кило­

метров), и дискретное эхо, отражающееся от сравнительно

неболь­

ших областей (в пределах нескольких километров). По лучу

зрения

могут располагаться несколько дискретных отраженных

центров,

которые неожиданно соединяются в диффузную структуру и

затем

снова распадаются на серию дискретных эхо [4 9 ] .

Суточные вариации авроральных радиоотражений.

При

иссле­