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

те 100 км.

Убедительные выводы, касающиеся эхо-сигналов,

вызван­

ных полярным сиянием,

были получены при

измерениях на

волнах

меньше одного метра [21

- 23 ]. На таких коротких волнах

оказа­

лось возможным использование высоконапрааленных антенн

и

опре­

деление

близких к истинным

высот

и углов.

Было обнаружено,

что

нет необходимости направлять радиолуч строго перпендикулярно

к

магнитному полю Земли, но это требование становится более

обя­

зательным с возрастанием частоты.

Полученную степень

ракурсной

чувствительности можно объяснить предположением, что

размеры

неоднородностей,

порождающих

эти

эхо-сигналы, составляют

де­

сятки метров вдоль магнитного поля и десятки сантиметров

попе­

рек него.

В районе Аляски обнаружены два вида эхо-сигналов,

один

из

которых

приходит

главным

образом

ночью из

относительно

ограни­

ченной

области от

отдельных

"дуг"

полярного сияния,

а

второй

токовой систеш . Скорость дрейфа неоднородностей на

порядок боль­

ше скорости обыкновенных ионосферных ветров.

Однако

отраженные

от метеорных следов сигналы, появляющиеся в районе

полярного

сияния, указывают, что скорооть дрейфа этих следов имеет

вели­

чину порядка

скорости

ионосферных ветров.

Сигнал,

рассеянный

поленаправленными

неоднородностями на

более низких широтах (при длине волны 10 - 20

м), где

очень

ред­

ях

полученный сигнал

слабо коррелирует с магнитными

возмущени­

ями.

Используя выражение удельной эффективной площади рассеяния

из

теории Букера [і і ]

при условии L ^ T и р.> <

10° (2.2) и

экспериментальные данные по рассеянию от полярного

сияния в рай­

оне Аляски, авторы работы [27] определили значения

продольной

обычно трактуется

не в строгом

смысле, а

как достаточная

бли­

зость

отражения к

зеркальному.

Некоторое

отклонение от зеркаль­

ности

отражения выражается в существовании определенной

индика­

трисы

(диаграммы)

рассеяния.

Мерой близости может служить

ши­

рина

индикатрисы

рассеяния.

Отклонения от строгого зеркального отражения зависят

от

ме­

сферы могут быть вызваны проникновением в нее частиц

высоких

энергий

(характерно для полярной

зоны), микрометеоров или же,как

показал

А.Б.Гуревич, действием магнитного поля Земли на

неодно­

родности любой природы [32 - 35]

. При наличии внешнего магнитно­

го поля коэффициент амбияолярной диффузии существенно

зависит

ношению к

магнитному полю, так и от

электрического

поля,

возни­

кающего в неоднородности. При высотах

более 100 км

поперечный

коэффициент амбштаяярной диффузии становится значительно

меньше

продольного,,

вследствие чего неоднородность растягивается

вдоль

магнитного

поля.

этих

случа­

Форма анизотропных неоднородностей в каждом из

ев, по крайней

мере в первоначальной их фазе, будет

различной,

хотя их

большие оси могут быть направлены одинаково вдоль

маг­

нитного поля Земли.

Каждая анизотропная неоднородность

будет

характеризоваться собственной диаграммой рассеяния.

Как

отмечается

а [54]

, ширина диаграммы при

отражении

от

метеорного следа меньше половины градуса, поскольку длина

сле­

да, как

правило,

значительно

превосходит диаметр j

первой

зоны

Френеля.

В

случае же

авроральной

ионизации диаграмма рассеяния

только при

самых благоприятных условиях оценивается минимальной

шириной

в

полградуса

в

связи

с тем, что продольные размеры

не­

однородности лишь на

I

-

1,5

порядка превышают поперечные,а

это,

в свою очередь, приведет

к различной степени близости отражения

к зеркальному.

Чепмен

[36]

в

основу своей теории при исследовании

авро­

ральный

отражений положил две

независимые

гипотезы:

а) о

зер­

кальном

отражении радиоволн

от

полупрозрачных

анизотрошшх

неоднородностей

электронной

концентрации и

б) об ориентирован­

поля Земли. Первая модель таких неоднородностей была

цилиндри­

ческой ("колонны" ионизации ориентированы вдоль силовых

линий

геомагнитного поля [36, 38] ). Кайзер [39] , Форсит

и

Воган

идальными, чем

цилиндрическими, вытянутыми вдоль магнитного но­

ля.

Часть волн,

очевидно, должна отражаться от поверхности та­

кого

облака в любом случайном направлении, но, вероятно, отраг-

женкая интенсивность будет наибольшей в направлении

зеркаль­

ного

отражения от оси неоднородностей.

дрической

модели [41]

, в то время как анизотропные

неодно­

родности,

вызванные различием в поперечном и продольном

коэф­

фициентах

амбиполярной диффузии [32—35J , видимо, ближе к ая-

липсоидальной.

Для определения направления максимума

интенсивности рас-

оеяния (такая задача возникает всегда при постановке

экспери­

мента) не

играют существенной роли формы анизотропных

неодно­

родностей.

Для решения "геометрических" задач распространения

можно воспользоваться

различными моделями

пространственного

распределения отражающих областей. При этом нет

необходимости

сти, может

быть использована цилиндрическая модель, как это де­

лается при рассмотрении

задач метеорного распространения,

или

же модели,

используемые

при изучении авроральных отражений. В

зации продолжительных

экспериментов.

Недостаток этого

метода,

как

отмечается в [42]

,

заключается

в том, что он

позволяет

измерять только локальные

параметры,

и .для получения

более

пол

ной

пространственной

картины необходимо

создание

густой

сети

исследовательских станций, способных предоставить

требуемую ин­

формацию, что,естественно, связано с

огромными затратами и

не

является оптимальным решением существующих проблем.

Другим недостатком метода обратного

рассеяния

является

то,

ностях

структуры ионосферы безотносительно к более

интерес­

ной, с

точки зрения практики, проблеме распространения

радио­

ществующих теорий и обоснованность принятых идеализаций

иди

же

выдвинуть

определенные

гипотезы

относительно механизма

распро­

странения

можно только

с помощью целенаправленного эксперимен­

та. В этом

отношении большими

потенциальными возможностями

об­

ким способом, при минимальных затратах существенно

дополняют

пространственно-временную картину

явлений,

протекающих в

ионо­

сфере и представляют практический

интерес,

отот метод,

как

по­

родной анизотропной ионизированной среде.

Б отличие

от постановки

эксперимента по

распространению

радиоволн через

неоднородную

изотропную среду,

аналогичный экс •

Пользуясь

обозначения­

ми рис.

5,

находим

т, _

М cos Ѳ

r z

’

где

V - магнитный потенци­

ал точки

Р

;

М -

магнит­

ный момент

эквивалентного

диполя;

г

-

радиус-вектор

ОР . Тогда для горизонталь­

ной и вертикальной

состав­

ляющих магнитного

поля в тел­

ке Р

получаем

_

/

дѴ

М s i n d

н г ~

г дѳ ~

’

и

-

д Ѵ _

2 М cos В

в

дг

гЗ

’

*9 * тТ

( 2 .1 )

" в

tg X

определяет предполагаемое

направлёние

полярного

луча в

точке

Р .

Здесь

X ~ Дополнительный угол

магнитного

наклоне­

ния в

точке

Р у

а

В - дополнительный

угол

геомагнитной

ши­

роты

точки

Р

. Для определенности предположим,

что

Q \

лежит

в северном полушарии,

так что Х > 0 ,

Z > 0,0< оі< 90 а. Здесь*

ос -

дополнительный угол я геомагнитной широте точки

Q .

Клравление магнитного поля в точке

Р

составляет с маг­

нитной

осью угол

8 +%

(рис.

5 ). Тогда с учетом

(2.1) по­

лучаем:

і д ( Ѳ -'-*)= j

tgB / ( f - j r

tg

2 Ѳ)

=

z z l _

>

(2.2)

где

p -

расстояние

точки

P

от

оси

z

. Отсюда видно,что

направляющие косинусы

полярного луча в

точке

Р

пропорциональ­

ны

величинам

3 zx

, 3 z g

и

2 z2 - р г {или

З г г — г г

).

Условие,

при

котором луч,

отраженный

из

точки

Р

,

по­

падает

в точку

Q

,

состоит в том, чтобы

Q

лежала в

плос­

кости,

нормальной

к полярному лучу в

точке

Р

,

и

выражается

*

уравнением

3 z x

( х - Х ) + 3

z y (у - Y )

+ (3 г г-

г г) ( г - 2 ) = 0 .

(2.3)

Так

как

Y —0 .

это уравнение упрощается:

3 z x X + ( d z z- r z) Z - 2 z r 2~ 0 .

(2,Л)

Полученное кубическое

уравнение

(2 .4)

представляет

поверхность

полярного

эха для

точки

Q .

Как видно из

(2 .4 ),

эта поверхность симметрична по

отно­

шению к геомагнитной

меридиональной плоскости

0QB

и содержит

точку

Q

,

начало системы координат

и точку

пересечения

маг­

нитной

оси с перпендикуляром, опущенным к ней

из

точки

Q , т .е .

( 0

,

0

,

?

).

Поверхность имеет особо простую форму для

экваториальной

точки

Q. (о( —90°, Х = а }

2 = О ) .

В

этом случае её

уравнение

имеет вид

z ( 2 г г - 3 а х ) =

О -

(2.5)

Q

Меридиональная кривая эха. Сечение поверхности эха

точка

геомагнитной

меридиональной

плоскостью,

проходящей

через

точку

Q

,

является

кубической кривой, которую можно

назвать

меридиональной кривой

эха

точки

Q

. Вид ее уравнения

анало­

гичен

уравнению поверхности (2 .4 ):

3 z x X + ( 3 z s- r z) l - 2 z r z= 0 г

(2.6)

только

здесь

г г=хг+гг .

Уравнение ( 2 .6 ),будучи уравнением третьей степени относи­

тельно

z ,

является

только квадратичным относительно

х ,

так*

что любая линия z = const

пересекает

кривую (рис.6)

только

в'

двух ты ках.

координа­

тах

Уравнение меридиональной кривой эха в полярных

имеет

вид:

-^ = cos(oL-B)-i--jtg Ѳ Sin ( ы - Ѳ ) .

(2.7)

При этом радиосигналы отражаются только от небольшой части

по-'

верхности эха, находящейся в определенном интервале высот

над

землей, там, где реально локализованы ионизованные столбы.

Чепмен построил

также зависимость

высоты точки

отражения

от угла

возвышения радиолуча, его расчеты были затем

дополнены

Магнитная ось

другими исследователями [9,

Земли

22 г

43]

. Из

теории

Чепме­

на

следует, что

радиоотра­

жения от полярных

сияний

должны наиболее легко

при­

ниматься

при .

расположении

радиолокаторов

з

районах,

где магнитное

наклонение име­

ет

порядок 70

-

7 5 °,так как

основание перпендикуляра,про­

веденного из точки располо­

жения радара в

направлении

на магнитную силовую

линию,

будет находиться на

высоте

100 км. Для магнитного накло­

нения б

80°

радиоотражения

от полярных сияний,

по теории Чепмена,

невозможны,

так

как ос­

диолокатора на силовые линии земного магнитного поля,

оказыва­

ются ниже уровня ионосферы.

Наблюдения,проведенные

на частотах (МГц):

30,3; об;

оІ.Ѵ;

72 соответственно [46

- 49J и д р ., показали,

что теория

Чеп­

мена, хотя содержит по существу правильные положения,

требует

дополнений. Эти наблюдения

показывают1, что большинство

радио-

отражений от полярных сияний составляют с направлением

земного

магнитного поля угол,

отличающийся всего на несколько

градусов

дователей .

3 [50] под редакцией Дж»А.Ратклифа

приведены в ка­

честве примера результаты

расчетов, выполненных

Лидебралдом

и

др. [5 і]

для .наблюдений,

проводимых

в Колледже на Аляске,

где

магнитное

наклонение

составляет

77°.

Экспериментально установ­

лено, что

отраженные

радиолучи

отклоняются от перпендикуляра

в

ной

на высоте

л

150

км, отклонение

от перпендикуляра должно быть

І

меньше 4,6

. Это минимальное

отклонение имеет место для от­

де

ражающих областей,

расположенных

в направлении магнитного севе­

ра

от Колледжа на

расстоянии 930

км.