Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Модификация F-области ионосферы мощными импульсными источниками волн в нейтральном газе

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Модификация F-области ионосферы мощными импульсными источниками волн в нейтральном газе"

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 504.03.054; 504.03.064

НАГОРСКИЙ ПЕТР МИХАЙЛОВИЧ

МОДИФИКАЦИЯ Р-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ МОЩНЫМИ ИМПУЛЬСНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ВОЛН В НЕЙТРАЛЬНОМ ГАЗЕ

11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Томск - 1998

РГб 01 2 7 ОКТ 1998

Работа выполнена в Сибирском физико-техническом институте пр! Томском государственном университете

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор

А.Г.Колесник

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, ст.научн.сотр.

Г.Г.Матвиенко;

доктор физико-математических наук, профессор

A.М.Насыров;

доктор технических наук, профессор

B.С.Семенов.

Ведущая организация: Московский физико-технический институт (университет), г.Долгопрудный Московской области.

Защита состоится " /•!?" Н Я 1998 г. в ^ часов на заседании

специализированного совета Д 063.53.11 по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов при Томском государственном университете по адресу: 634050, г.Томск, пр.Ленина, 36, ТГУ. С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского госуниверситета.

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь

специализированного совета Д 063.53.11,

доктор физико-математических наук, ст.научн.сотр.

Т.Н.Копылова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена исследованию дистанционными радиофизическими методами динамики ионосферной плазмы ^области, модифицированной мощными космическими (старты ракет) и наземными (взрывы) импульсными источниками средне- и крупномасштабных волновых возмущений.

Актуальность проблемы. Запуск первого искусственного спутника ознаменовал не только переход от эры космонавтики теоретической к космонавтике практической, но и выдвинул ряд новых физических проблем. Одна из них связана с модификацией верхней атмосферы и ионосферы волновыми возмущениями. По количеству энергии, выделенной в окружающее космическое пространство, ракеты, выводящие на орбиту космические аппараты, не имеют аналогов (кроме мощных наземных взрывов и работы средств и систем КВ-диапазона большой мощности) среди других способов искусственной модификации верхней атмосферы и ионосферы. Модификация верхней атмосферы взрывными акустико-гравитационными волнами тесно связана с мощными наземными химическими взрывами (в первую очередь строительными), а также с испытаниями ядерного оружия. При анализе последствий модификации верхней атмосферы, сопровождающей старты ракет, основное внимание обращалось на вопросы химической модификации и засорение космического пространства мелкодисперсными обломками. Вопросам волновой модификации должного внимания не уделялось.

Это связано с тем, что до сих пор истинная роль волновых возмущений в физике верхней атмосферы остается открытой. Поэтому неясны и возможные последствия волновой модификации верхней атмосферы с точки зрения охраны окружающей среды. Кроме того, ионосфера является средой, посредством которой осуществляется связь и вещание в КВ-диапазоне, через нее проходят линии связи УКВ и более высокочастотных диапазонов. Следовательно, нестационарность ионосферы, вызванная ее модификацией, является фактором, который может приводить к ухудшению качества передаваемой информации и надежности каналов связи. Все это является подтверждением актуальности и практической значимости анализа реальной картины модификации верхней атмосферы и ионосферы мощными импульсными источниками волновых возмущений в нейтральном газе. '

Целью работы является исследование, на базе выявленных особенностей распространения КВ-радиоволн, антропогенных волновых возмущений, возникающих после пролета ракет и проведения мощ-

пых взрывов, и анализ связей между уровнем волновой модификации верхней атмосферы, параметрами источника и внешними (гелио-геофизическими) условиями.

Сформулированные цели исследований потребовали решения следующих задач:

- выявление, на основе теоретических и экспериментальных исследований, характерных форм возмущений в отклике сигнала, связанных с модификацией верхней атмосферы импульсными источниками;

- определение иерархии времен появления пакетов возмущений в спектре сигнала;

- выявление диапазонов изменений характерных пространственных и временных масштабов возмущений;

- анализ влияния гелио-геофизических факторов на проявление возмущений в спектре сигнала;

- определение методами нелинейной акустики закономерностей эволюции расходящихся акустических возмущений конечной амплитуды в процессе их распространения в неоднородной диссипативной атмосфере;

- выявление основных закономерностей рефракции радиоволн на волновых возмущениях концентрации электронов, образованных акустическими волнами конечной амплитуды, с'учетом эффективной частоты столкновений и ориентации геомагнитного поля.

Эта последовательность задач представляет собой крупную проблему в области охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов, имеющую важное фундаментальное и прикладное значение. Для ее решения применялись следующие методы:

- метод наклонного доплеровского зондирования нестационарной ионосферы;

- метод вертикального импульсного зондирования ионосферы;

- метод нелинейной акустики;

- методы геометрической оптики и акустики.

В диссертационной работе проведено обобщение результатов, полученных при выполнении НИР, в которых автор был научным руководителем либо ответственным исполнителем. Эти НИР выполнялись по координационному плану АН СССР на 1981-1985г.г. (раздел 1.5.4.1, пункт 2), комплексной программе "Сибирь" (раздел 4.2.1.), программе ГКНТ 074.09 "Атмосфера" на 1986-1990г.г. (раздел '02.Н6), а также работ, проводившихся в 1991-1997г. в рамках госбюджетной тематики отдела геофизики и экологии СФТИ (номер Гос. регистрации 01.9.30000408), по межвузовским научно-техническим программам МО-

ПО "Конверсия научно-технического потенциала вузов", "Конверсия и высокие технологии. 1994-1996гг., 1997-2000гг.", "Университеты России (Геокосмос)", при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 96-05-64907), грантов МОПО РФ {№ 2-81-5-24, № 93-02-02, № 95-03-36), х/д работ с ИПГ и ДАНИИ Роскомгидромета (1990-1994гг.). Полученные в работе новые результаты в области модификации ^-области ионосферы мощными импульсными источниками использованы в ИПГ и ДАНИИ Роскомгидромета, НИРФИ, СФТИ при ТГУ, а также в процессе подготовки студентов, стажеров и аспирантов Томского и Якутского госуниверситетов.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные положения, выносимые на защиту.

1. Воздействие на область Е летящих в верхней атмосфере ракет "Союз", "Протон" и "Энергия" приводит к появлению двух групп нев-стречающихся в естественных условиях возмущений в спектрах сигналов наклонного доплеровского КВ-зондирования, регистрируемых на радиотрассах, пересекающих траекторию движения ракеты. Возмущения в спектре сигнала связаны с прохождением в верхней атмосфере ударно-акустических волн (первая группа), низкочастотных акустических пакетов и -цугов внутренних гравитационных волн (обе -группы). Основной формой отклика сигнала на прохождение ударных волн является несимметричная М-образная форма вариаций частоты.

2. Проявление возмущений от ракет в спектре сигнала КВ-зондирования и на ионограммах АИС зависит от времени суток, сезона года, воз-мущенности ионосферы, типа ракеты » высоты полета. Интервал существования ударных волн в спектре сигнала составляет ~ Змии, минимален зимним днем (~ 2мин) и максимален зимней ночыо 4.7мин). Вероятность появления низкочастотных акустических возмущений максимальна летом, среднее время существования составляет ~ 10.Змии, ночные значения превосходят дневные в ~ 1.5 раза. Период вариаций частоты акустических волн второй группы нарастает с момента появления от долей до ~ 3-г5 минут, размах вариаций частоты вначале растет, а затем начинает убывать, асимптотически приближаясь к нулю.

3. Наличие двух групп акустических возмущений от ракет, летящих в верхней атмосфере, связано со следующими факторами.

3.1. Ударно-акустические возмущения; распространяющиеся в направлении, близком к вертикальному (первая группа), являются свободно распространяющимися волнами, для которых характерно: - при распространении импульсного возмущения вверх его эволюция

целиком определяется амплитудной дисперсией (Л^-образная форма профиля сохраняется, пространственный масштаб - увеличивается); — при переносе возмущения вниз происходит "сжатие" возмущения, в итоге пространственные размеры ударных возмущений у поверхности Земли в десятки раз меньше размеров ударной волны на уровне области ^ (возможные причины "сжатия" возмущения: отражение от мезо-паузы низкочастотных составляющих, фазовая дисперсия). 3.2. Волновые пакеты второй группы представляют собой захваченные мезосферно-термосферным волноводом ударно-акустические импульсы, специфическая форма вариаций частоты и амплитуды которых в отклике сигнала обусловлена волноводными свойствами земной атмосферы при переносе возмущения в горизонтальном направлении, совпадающим с осью волновода.

4. Уравнению Бюргерса, обобщенному на случай неоднородных, дис-сипативных сред и расходящихся импульсных акустических возмущений, удовлетворяют асимптотические соотношения, связывающие относительную амплитуду, ширину ударного фронта и длину импульса с относительной амплитудой возмущения на граничной поверхности, радиусом этой поверхности, расходимостью возмущения, высотой однородной атмосферы и длиной свободного пробега. При распространении периодической последовательности акустических волн в сторону уменьшения плотности среды формируется последовательность ударных волн, амплитуда которых асимптотически стремится к пределу, пропорциональному отношению длины волны к высоте однородной атмосферы и не зависящему от степени расходимости возмущения.

5. Замкнутая радиофизическая модель для отраженного от возмущенной ударными волнами ионосферы КВ-спгнала на среднеширотных радиотрассах протяженностью от нескольких сотен до нескольких тысяч километров, включающая в себя модель фоновой ионосферы, нестационарную модель возмущения электронной концентрации, метод расчета параметров радиосигнала (метод геометрической оптики), учитывающая тип источника, его мощность, местоположение (взрыв), скорость и направление перемещения (ракета), геофизические условия, эволюци-онность возмущения в нейтральной компоненте, влияние геомагнитного поля на увлечение заряженной компоненты, в предположении, что область, занимаемая возмущением, суть сечение плоскостью радиотрассы расширяющейся сферы (взрыв) или перемещающегося конуса (ракета), обеспечивает оценку параметров возмущений в нейтральной и заряженной компонентах и параметров регистрируемого радиосигнала (вариаций частоты, углов прихода, времени распространения, вели-

чины ослабления).

6. Воздействие ударно-акустических волн от ракет на область F ионосферы приводит (при отношении частоты зондирования к максимально применимой менее 0.7) к появлению отклика сигнала на трассах, протяженностью сотни - тысячи километров, М-образного вида, увеличение частоты зондирования трансформирует М-образное возмущение в "разорванное петлеобразное", дальнейшее увеличение частоты зондирования приводит к замене возмущения "петлеобразной" формы на возмущения более сложных форм и появлению в отклике сигнала точек возврата. При одновременном проведении двух взрывов мощностью 100т ТНТ, разнесенных вдоль радиотрассы на ~ 500км, появление возмущений в отклике сигнала разнесено по времени появления и диапазону дальностей, при уменьшении расстояния до ~ 150км "М" - образные вариации частоты сливаются в "трехгорбыс" вариации частоты, а при расстоянии ~ 50км раздельная регистрация откликов сигнала от разных взрывов невозможна.

■ Достоверность и обоснованность научных положений, основных результатов и выводов определяется физической обоснованностью проведенных экспериментов, повторяемостью результатов и их подтвержде--нием в единичных экспериментах других авторов (Э.Л.Афраймович, Н.Ф.Благовещенская, В.И.Дробжсв, А.Н.Пииепш, Е.А.Пономарев, Р. Argo, E.Blanc, H.G.Booker, I.Tolstoy), большими рядами экспериментальных данных, на основе которых сделаны соответствующие выводы, согласием результатов теоретического анализа и данных эксперимента между собой, а также совпадением с теоретическими результатами других авторов (Г.С.Голицын, К.Е.Губкин, Н.Н.Романова, F.Einaudi) в пересекающихся областях.

Научная новизна работы определяется рядом впервые проведенных экспериментальных и теоретических исследований и полученных результатов, основные из которых заключаются в следующем.

Экспериментально и численным моделированием установлено:

- влияние пролета в ионосфере ракет "Союз", "Протон" п "Энергия" на появление возмущений в спектре сигнала, зарегистрированного на трассе наклонного доплеровского КВ-зондировапия, пересекающей траекторию движения ракеты;

- появление в спектре сигнала отклика на ударно-акустические возмущения от мощных наземных взрывов, эпицентры которых находятся вблизи плоскости КВ-трассы под участком траектории, расположенным в ионосфере.

Установлено существование зависимостей проявления ударно-акустических волн и низкочастотных акустических пакетов от ракет в спектре сигнала КВ-зондирования (время появления, интервал существования, амплитуда, вариаций частоты) и возмущений на ионограммах АИС (вероятность появления, интервал существования) от времени суток, от сезона года, от возмущенпости ионосферы, от типа ракеты и высоты ее полета,

Выявлена зависимость эволюции импульсных акустических возмущений, образованных мощными антропогенными источниками в верхней атмосфере (ракеты, высотные взрывы), от направления переноса возмущения (от места генерации вверх, в направлении, близком к горизонтальному, или вниз). Установлено соотношение между временными масштабами ударной волны в верхней атмосфере и длительностью возмущений, зарегистрированных на поверхности Земли.

Проведено обобщение уравнения Бюргерса на случай неоднородных, нелинейных, диссипативных сред и расходящихся акустических возмущений. Определены закономерности эволюции расходящихся акустических возмущений от периодических, импульсных и шумовых процессов, заданных на граничной поверхности, и проведена оценка параметров ударно-акустических волн от ракет и мощных (сотни тонн ТНТ) взрывов на уровне области Р верхней атмосферы.

Обоснована и реализована замкнутая радиофизическая модель для отраженного от возмущенной ударными волнами ионосферы КВ-сиг-нала на среднеширотных радиотрассах протяженностью от нескольких сотен до нескольких тысяч километров.

Научная значимость работы заключается в следующем.

Решена важная научная проблема в области охраны окружающей среды, что позволило:

- оценить уровень антропогенной модификации верхней атмосферы на высотах области ^ среднеширотной ионосферы ударными и акустико-гравитационными волнами от мощных (сотни тонн ТНТ) наземных взрывов и ракет, выводящих на орбиту космические аппараты;

- выявить геофизические факторы, регулирующие вероятность появления волновых возмущений, время их появления, интервал существования, амплитуду вариаций частоты в спектре сигнала.

Установленные закономерности формирования отклика сигнала при появлении в верхней атмосфере ударных акустических возмущений вносят вклад в понимание механизмов распространения радиоволн на трассах связи, проходящих через модифицированнную ионосферу; выявленные закономерности эволюции ударно-акустических волн -

в акустику верхней атмосферы; установленные закономерности проявления пакетов низкочастотных волн - в понимание значения и роли мезосферно-термосферного волновода в динамике верхней атмосферы.

Замкнутая радиофизическая модель для отраженного от возмущенной ударными волнами ионосферы КВ-сигнала па среднеширотных радиотрассах протяженностью от нескольких сотен до нескольких тысяч километров позволила: а) доказать связь специфических откликов сигнала, зарегистрированных экспериментально, с появлением в верхней атмосфере ударно-акустических волн от ракет и взрывов; б) выявить основные закономерности формирования отклика сигнала; в) установить количественные соотношения между параметрами отклика сигнала и параметрами возмущения.

Практическая значимость работы определяется следующим:

Закономерности проявления отклика сигнала наклонного зондирования при воздействии на верхнюю атмосферу волновых возмущений от ракет и взрывов могут быть использованы для прогнозных оценок антропогенных нагрузок на верхнюю атмосферу, ионосферу, ионосферные каналы связи, околоземное космическое пространство, возникающих во время запусков ракет, маневров на орбите тяжелых косми-. ческих аппаратов и проведения мощных (сотни топи ТНТ) наземных взрывов.

Замкнутая радиофизическая модель для отраженного от возмущенной ударными волнами ионосферы КВ-сигнала на среднеширотных радиотрассах протяженностью от нескольких сотен до нескольких тысяч километров может быть использована для оптимального планирования и интерпретации результатов дорогостоящих активных экспериментов по модификации области ^ ионосферы.

Измерительно-вычислительный комплекс, который является единственным на территории России комплексом, работающим в режиме непрерывного круглосуточного мониторинга уровня волновых движений ионосферной плазмы, и данные мониторинга нестационарной ионосферы могут быть оперативно использованы и используются для диагностики и контроля состояния верхней атмосферы, ионосферы, ионосферных каналов распространения КВ-радноволн, вариаций уровня электромагнитного фона КВ-днапазона в окружающей среде.

Выявленные эмпирические закономерности модификации области .Р1 ионосферы мощными импульсными источниками волн в нейтральном газе, база экспериментальных данных, полученная на измерительно-вычислительном комплексе, равно как и сам комплекс, радиофизическая модель отклика сигнала наклонного КВ-зонднрования и ре-

зультаты численных экспериментов могут использоваться и используются при подготовке кадров высшей квалификации, специализирующихся в области охраны окружающей среды, физики верхней атмосферы и ионосферы, дистанционных методов зондирования.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XII, XV, XVI, XVII, XVIII, Всес. (Всеросс.) копф. по распространению радиоволн (Томск, 1978г., Алма-Ата, 1987г. Харьков, 1990г., "Ульяновск, 1993г., С.-Петербург, 1996г.), VII Всес. снмп. по дифракции и распространению волн (Ростов-на-Дону, 1977г.), IV межвед. сем. по моделированию ионосферы (Томск, 1978г.), Всес. паучно-практич. копф. по теории и практике применения метода некогерентного рассеяния радиоволн (Харьков, 1983г.), межвед. конф. по применению ЭВМ в исследованиях физических процессов в атмосфере и ионосфере (Новосибирск, 1987г.), Всес. сем. по распространению радиоволн в ионосфере (Звенигород, 1989г.), V Симп. КАПГ по солнечно-земной физике (Душанбе, 1989г.), Всес. снмп. по ионосфере и взаимодействию декаметровых радиоволи с ионосферной плазмой (Звенигород, 1989г.), научн.-прак. конф. но распространению и дифракции электромагнитных волн в неоднородных средах (Смоленск, 1992г., Вологда, 1994г.), 39, 42, 46, 48 Всес. научн. сессиях, посвященных Дню Радио (Москва, 1984г., 1987г., 1991г., 1993г.), Суздальских снмп. URSI (Суздаль, 1986г., 1991г.), Всес. сов. по волновым возмущениям в ионосфере (Алма-Ата, 1981г., Батуми, 1982г., Алма-Ата, 1983г. 1985г., 1987г.), Всес. сем. по неоднородной структуре ионосферы (Якутск, 1991г.), Всеросс. паучпо-техн. конф. по проблемам военной геофизики и контроля состояния природной среды (С.-Петербург, 1992г.), XII межд. снмп. по электромагнитной совместимости ЕМС (Вроцлав, 1994г.), Всеросс. паучно-практ. конф. "Конверсия вузов - защите окружающей среды" (Екатеринбург, 1994г.), межд. конф. по физике солнечно-земных связей (Алма-Ата, 1994г.), межд. конф. но распространению электромагнитных воли (Москва, 1995г.), II, III межд. снмп. по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, 1995г., 1997г.), Сибирском совещании по климатоэкологическому мониторингу (Томск, 1995г.,1997г.), межд. копф. по фундаментальным и прикладным проблемам охраны окружающей среды (Томск, 1995г.), межд. снмп. по мониторингу окружающей среды н проблемам солнечно-земной физики (Томск, 1996г.), межд. симп. PIERS (Иннсбрук, 1990г.), 10 копф. Европейского физического общества (Севилья, 1996г.), 8 научной ассамблеи IAGA (Уппса-ла, 1997г.), Всеросс. научи, конф. по физическим проблемам экологии (Физическая экология) (Москва, 1997г.), Всеросс. научпо-техн. конф.

Экология-97 (С.-Петербург, 1997г.), а также на совещаниях и семинарах ряда научных учреждений (ИЗМИР РАН, ИФЗ РАН, ИОА, ИСЗФ СО РАН, НИРФИ, МФТИ, НИИФ, ИПГ, ААНИИ, ИИ НАН Казахстана и др.).

Личный вклад автора. Основные результаты диссертации, опубликованные в 68 работах, являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Вывод о принадлежности наиболее ранних возмущений от ракет в спектре сигнала к акустической ветви колебаний и их связи с ударной волной в спутном потоке получен совместно с В.Т.'Сарычевым и В.Г.Спицыньш. Реализация приемно-измерителыю комплекса наклонного зондирования проведена совместно с Б.Б.Борисовым, В.Ф.Киселевым, Е.И.Петрушиным, Ю.Е.Таращуком. Набор экспериментального материала проводился вместе с Б.Б.Борисовым, В.Ф.Киселевым, Е.И.Петрушиным, Ю.Е.Тара-щуком, Б.Б.Цыбнковым. Начальный этап обработки послепролетных возмущений на ионограммах проведен совместно с Ю.Е.Таращуком и Н.И.Тимченко. Моделирование отклика сигнала во время взрывов и естественных нестационарных процессов проведено В.В.Жебсаином и Б.Б.Цыбнковым под руководством автора.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, 65 рисунков, 16 таблиц и списка литературы из 354 наименований. Общий объем - 365 страниц.

Автор благодарен руководству отдела геофизики и экологии, отдела радиофизики СФТИ, кафедры космической физики и экологии, кафедры радиофизики ТГУ, сотрудникам этих подразделений за помощь в получении и обсуждении результатов, изложенных в диссертации, за полезные дискуссии и внимание, способствовавшие выполнению диссертационной работы. Автор так же весьма признателен сотрудникам кафедры ФМПВП МФТИ за методические консультации, сотрудникам ЛНПО "Вектор" за помощь, оказанную в процессе установки комплекса наклонного доплеровского зондирования, и сотрудникам АИС г.Караганды за представленные понограммы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, раскрыта ее актуальность, сформулированы цель работы и положения, выносимые на защиту, обоснованы новизна, научная и практическая значимость выполненных исследовании. Приведено краткое содержание диссертации.

Первая глава диссертации является вводной в современное состояние исследованнп'по проблеме модификации верхней атмосферы мощными импульсными источниками волн в нейтральном газе, а именно: ракетами (разделы 1.1 -г 1.3), летящими в верхней атмосфере с работающими двигателями, и мощными наземными взрывами (раздел 1.5). В ней содержится обзор литературы, посвященной волновой, а также химической (раздел 1.4) модификации верхней атмосферы и ионосферы.

Основное внимание уделено работам, в которых рассматриваются наиболее энергонесущие возмущения верхней атмосферы до высот ~ 300 -г 400км - акустические и внутренние гравитационные волны (разделы 1.2, 1.3, 1.5). Именно эти классы антропогенных волновых возмущений верхней атмосферы и являются предметом исследования, проведенного в данной работе.

В конце главы (раздел 1.6) сформулированы основные направления исследований, которые требуют привлечения, с одной стороны, математического аппарата, позволяющего провести как анализ отклика сигнала радиозондирования, так и оценить влияние среды па распространение и эволюцию возмущений в нейтральном газе, а с другой - экспериментального метода, позволяющего регистрировать весьма малые отклонения концентрации электронов Л^ в ионосфере от равновесного значения.

Во второй главе рассмотрены вопросы реализации метода наклонного доплеровского зондирования КВ-днапазона, представлены и анализируются наиболее характерные варианты отклика сигнала в частотно-временной области, зарегистрированные во время запусков ракет, мощных наземных взрывов, а также при естественной нестационарности ионосферной плазмы. В конце главы сформирована цепочка систем уравнений, состоящая из уравнений гидродинамики нейтрального газа, уравнений, описывающих возмущение в заряженной компоненте ионосферной плазмы, и системы уравнений геометрической оптики, предназначенной для оценки отклика КВ-канала на появление в верхней атмосфере ударно-акустических возмущений (УАВ).

В разделе 2.1 представлено описание многоканального автоматизированного комплекса для приема, регистрации, хранения и обработки квадратурной компоненты отраженного от ионосферы КВ-сигнала. Метод доплеровского зондирования ионосферы реализован в СФТИ по схеме многопозиционной радиолокации с разнесением передающих и приемного (г.Томск) устройств. В качестве передающих устройств использована сеть радиовещательных станции КВ-диапазона, имеющих высокую относительную стабильность по частоте (~ Ю-8 и выше).

Для анализа антропогенных ионосферных возмущений были использованы измерения, проводившиеся во время мощных взрывов и запусков космических аппаратов, официальные сообщения о запуске которых появлялись заблаговременно. Основная часть экспериментального материала была получена при зондировании возмущенной ионосферы на системе радиотрасс: Ашхабад-Томск, Ташкент-Томск, Душанбе-Томск, Алма-Ата-Томск. На ряде трасс зондирование проводилось на нескольких частотах. База данных отклика сигнала включает в себя более 50 сеансов, проведенных во время запусков ракет с космодрома Байконур, и 7 сеансов, зарегистрированных при проведении мощных взрывов.

Анализ экспериментального материала (раздел 2.2.1); полученного во время стартов ракет "Союз", "Протон" и "Энергия", позволил установить, что в спектре сигнала проявляются две группы ионосферных волновых возмущений. Начало первой их них близко ко времени пересечения ракетой плоскости соответствующей радиотрассы, а начало второй группы запаздывает относительно момента пересечения на ~ 13 -ь 23мин. Показано, что эти возмущения в спектре сигнала связаны с прохождением в верхней атмосфере и модификацией электронной концентрации ионосферной плазмы:

- ударно-акустическими волнами, которые были зарегистрированы только в первой группе возмущений;

- низкочастотными акустическими волновыми пакетами (НЧА), которые могут регистрироваться в обеих группах возмущений;

- цугами внутренних гравитационных волн (ВГВ), которые также могут регистрироваться в обеих группах возмущений.

Установлено, что при прохождении УАВ типично]! формой отклика сигнала является несимметричная М-образная форма вариаций частоты, которой соответствует А-образный профиль ударного возмущения в нейтральном газе. Для низкочастотных акустических волн первой группы (НЧА1), которые регистрируются сразу после прохождения УАВ и период которых составляет единицы минут, вариации частоты регулярных модов в спектре сигнала, происходят практически синхронно. Период вариаций частоты низкочастотных акустических волн второй группы (НЧАг) нарастает с момента их появления в спектре от десятков секунд до 3 т- Вини, а затем остается постоянным. Размах вариаций частоты НЧАг имеет экстремум - вначале он нарастает, а затем начинает убывать, асимптотически приближаясь к нулю. Вариации частоты, связанные с внутренними гравитационными волнами первой и второй групп имеют, как правило, несимметричную 5-образную фор-

му, а период не ниже Юмип. ВГВ регистрируются отдельными цугами, общее время существования которых может доходить до сотен минут.

В разделе 2.2.2 рассмотрена картина волновой модификации ионосферной плазмы мощными наземными взрывами. Анализ отклика сигнала позволил установить следующее:

- наиболее регулярно в спектре сигнала регистрируется появление волновых возмущений, связанных с ВГВ, а также увеличение амплитуды естественных ВГВ, существующих в верхней атмосфере;

- проявление УАВ в спектре отраженного от ионосферы сигнала зарегистрировано только в тех случаях, когда эпицентры взрывов лежали вблизи плоскости трассы под участком траектории, расположенным в ионосфере;

- низкочастотные акустические волны в верхней атмосфере мощными наземными взрывами возбуждаются слабо.

Раздел 2.3 посвящен анализу форм отклика сигнала, зарегистрированных при прохождении в верхней атмосфере УАВ от ракет. Это обусловено тем, что формы отклика сигнала при воздействии УАВ на ионосферный канал связи наиболее разнообразны. Проведенный анализ позволил установить, что основной формой отклика сигнала в частотно-временной области является несимметричная М-образная форма вариций частоты. Выявлено существование модов в спектре, зеркальных (относительно временной оси) утренней фокусировке сигнала на границе мертвой зоны в естественных условиях, а также появление многократных отражений от возмущенной ионосферы, приводящих 1С эффекту, аналогичному эффекту "шепчущей галереи". Сравнительны]! анализ данных мпогочастотпого зондирования позволил установить, что трансформация М-образпых модов связана с изменением отношения частоты зондирования к максимально применимой частоте трассы /мпч> а также то, что при Л//мпч ~^ 1 возможно превращение М-образного вида отклика сигнала в отклик сигнала типа оо.

Сравнительному анализу форм отклика сигнала наклонного зондирования при воздействии на ионосферу и верхнюю атмосферу естественных и антропогенных процессов посвящен раздел 2.4. В результате установлено, что специфические формы возмущений в спектре сигнала, связанные с УАВ, в естественных условиях не регистрируются, при зондировании па пространственно разпесешшх трассах естественные нестационарные процессы (в первую очередь геомагнитные пульсации и солнечные вспышки), приводящие к отклик}' сигнала, близкому по своему спектральному составу к отклику па акустические возмущения, отфильтровываются вследствие больших пространственных мас-

штабов. Форма отклика сигнала при прохождении в верхней атмосфере антропогенных ВГВ практически совпадает с формой отклика при появлении в атмосфере ВГВ естественного происхождения.

Сопоставление литературных данных и данных, приведенных в работе, об акустических волновых возмущениях, которые зарегистрированы во время стартов ракет, высотных и наземных взрывов методами вертикального и наклонного доплеровского зондирования, а также акустическими датчиками на земной поверхности, позволило установить, что эволюция импульсного акустического возмущения, вне зависимости от его источника (ракета, взрыв), при переносе возмущения от места генерации вверх, в направлении, близком к горизонтальному, или вниз осуществляется под воздействием различных физических факторов.

Для исследования особенностей механизмов распространения радиоволн в возмущенной УАВ ионосфере, формирования отклика сигнала и проведения соответствующих модельных экспериментов в работе был использован один из наиболее эффективных численных способов решения уравнений геометрической оптики (раздел 2.5), основанный на методе канонического оператора Маслова.

В разделе 2.6. записана система уравнений гидродинамики, предназначенная для анализа процессов распространения и эволюции акустических возмущений конечной амплитуды. Поскольку для рассматриваемых процессов вязкость оказывает влияние только на нейтральную компоненту, то в уравнениях для заряженных компонент опущены слагаемые, ответственные за вязкое затухание. Характерные временные и пространственные масштабы исследуемых явлений позволили пренебречь силой Корнолпса. Так как степень ионизации ионосферы до высот ~ 400км низка, то проблема исследования возмущений трехком-понентпой плазмы была разделена па две независимые задачи: анализ возмущений в нейтральном газе без учета влияния заряженных частиц и исследование возмущений электронной концентрации под воздействием движений в нейтральном газе.

Третья глава посвящена количественном}' анализу экспериментального материала, зарегистрированного во время запусков ракет. Поэтому цель главы заключалась в определении времен появления и существования в спектре сигнала акустических пакетов, проведении сравнительного анализа результатов, полученных для различных пакетов акустических возмущений. В этой же главе рассмотрены вопросы регистрации послепролетиых ракетных возмущений на ионограммах станции вертикального зондирования.

Методика извлечения информации из вариаций частоты, вызванных УАВ, и анализ геофизических факторов, контролирующих время их появления, которое отсчитывал ось от момента пересечения ракетой плоскости соответствующей радиорассы, изложена в разделе 3.1. Выявлено, что время появления отклика на УАВ в спектре сигнала определяется высотой ее полета: для ракеты, летящей в области F ("Союз"), оно слабо зависит от времени суток и минимально в переходные часы, а в случае ннзколетящпх ракет ("Протон", "Энергия") -имеет ярко выраженный суточный ход.

В разделе 3.2 проведен анализ геофизических факторов, контролирующих временные масштабы существования УАВ (тдг) и ее элементов в спектре сигнала, а именно: длительности переднего фронта возмущения (5t), длительности положительной фазы (фазы сжатия TV-волны длительности отрицательной фазы (фазы разряжения rf). Часть полученных результатов представлена в табл. 1.

Временной интервал существования iV-волны составляет в среднем ~ Змип, минимален зимним днем и максимален зимней ночыо (см. табл. 1). Время существования модов с положительным смещением частоты в среднем в ~ 3 раза, меньше, чем модов с отрицательными смещениями частоты. Последнее свидетельствует о явной ассиметричности формы Лг-волпы. " '

Средние значения тдг, 6t, rt+ и гг_ на ~ 1.5-г2.5 порядка превосходят длительности зарегистрированных на Земле УАВ от ракет, летящих на уровне области F. Дополнительный анализ экспериментальных данных с целью определения минимально возможных значений параметров rjv, 5t, г;+ и г," позволил установить: > 6 -т- 10с, т* > 15 -т- 20с и r/v > 40-г 60с. Таким образом, минимально возможные значения тд', rt+ и rf в верхней атмосфере также в десятки раз превосходят длительность акустических возмущений, зарегистрированных на поверхности Земли.

В разделе 3.3 проведен анализ факторов, регулирующих величину вариаций максимальных положительных смещений частоты, связанных отраженном от переднего (А/+) либо заднего (Дff) фронтов N-волны, н максимальных отрицательных смещений частоты (А/-), связанных с рефракцией радиоволны на пологой части профиля iV-волны. Средние значения Д/+, Д¿\ff не превосходят ~ 1.7Гц (см. табл. 1), доходя в отдельных случаях до ~ 10 -f- 15Гц. Значения Д/ от мощных ракет "Протон" и "Энергия", разгоняющихся на низких высотах, оказались меньше, чем от летящей на большей высоте ракеты "Союз". Отношение Д/7/Д/- для ракет, летящих в области Е и jEF-долнны,

близко к единице, а для ракет "Союз" (псе данные): Д/+ > АДля этих типов ракет Aft в ~ 3 раза меньше Afp и Af~. Летом максимальными становятся отрицательные смещения частоты: Д/~ > Afp. Летней ночью А/+ ~ Aft и частотные искажения М-образной формы возмущения практически исчезают.

Таблица 1

Параметр Средине значения

" Союз" "Протон" Зима, "Союз" Лето, "Союз"

"Энергия" День Ночь День Ночь

Öt, mihi 0.53 0.54 0.33 1.02 0.52 0.68

rt+, мин 0.82 0.84 0.52 1.50 0.80' 0.93

rf, mihi 2.25 2.26 1.06 2.83 2.38 4.13

r/v, мин 3.07 3.10 1.58 4.33 3.18 5.66

A/+, Гц 1.G4 0.98 1.70 1.28 2.09 1.15

А Г, Гц 1.16 0.99 0.46 1.01 2.23 1.63

■ Aft, Гц 0.42 0.36 0.12 0.65 0.54 1.06

ТцЧА-i, mihi 3.1 6.6 - 4.2 3.0 4.0

7-цчл,, mihi 10.2 10.6 - 16.9 9.4 11.7

' h4ai J шш 2.9 - 2.9 - 5.3 2.-7 3.6

ТЙЧЛ^ мин 5.1 5.3 _ 6.S 4.4 4.6

ДЖ,. Гц 1.0 0.7 - 0.5 1.1 0.8

/-т-/7 7га г Тнчл, > М"" 3.4 4.1 - 4.0 3.0 4.2

Тнчл2, m»» 17.9 16.0 10.0 22.3 17.9 18.5

Т"нчл2! м«" 11.0 8.9 9.7 13.3 12.6 13.5

n~m in 'ичаз' мни 0.8 1.0 0.6 1.9 0.8 1.0

'нчлп > мин 3.4 3.1 2.9 4.7 3.4 3.5

Д/нчЬ Гц 1.2 1.7 1.1 0.7 1.4 1.5

s~r~ f TUCtX >ПЧА? : ШШ 1.5 1.2 1.2 2.8 1.4 1.7

Тнч.аз, мин 33.3 29.7 - 35.8 28.3 -

7"нча3> шш 8.8 4.2 - 11.4 3.6 -

ЧЧЪ, м»" 1.7 1.4 - 2.2 0.8 -

ТпЧАз ■ «»« 3.8 1.8 - 5.2 1.0 -

А/нчХз. 0.2 0.5 - 0.2 0.1 -

/-г-/ г?г<гга.' ТнЧЛо i шш 3.8 1.6 5.2 0.9 -

В этом же разделе проанализированы геофизические условия тех экспериментов, в которых вариации частоты, связанные с воздействием УАВ на область Р2 ионосферы, не были зарегистрированы. Хотя

вероятность отсутствия вариации частоты по всей совокупности экспериментов оказалось весьма малой/такие случаи имели место и ре-ализовывались зимой в переходное время суток или ночью. Согласно геофизическим данным время проведения этих экспериментов совпало с интенсивными магнитосферпымн возмущениями, а по данным АИС г.Томска только в этих сеансах высота основания области ^ превосходила 300км, что позволило определить верхнюю границу диапазона высот, в котором могут существовать акустические волны. Она, согласно грубой оценке, не превосходит ~ 350км.

В разделе 3.4 рассмотрены вопросы проявляемое™ низкочастотных вкустических возмущений в спектре сигнала. В течение суток вероятность появления НЧА1 максимальна в ночные часы, а НЧА2 - днем, в сезонном цикле вероятность проявления НЧА пакетов максимальна летом. Здесь же изложена методика извлечения информации из вариаций частоты, связанных с НЧА пакетами, и проведен анализ времен появления Тцчл и существования тцча акустических возмущений в спектре сигнала в зависимости от времени суток, сезона года, типа ракеты и высоты ее полета. Часть результатов представлена в табл. 1.

Минимальные задержки появления пакетов НЧА1 возмущений зарегистрированы в переходное время суток, среднесуточное значение времени задержки появления НЧАх для ракеты "Союз" составляет -^нчА] ~ Змии и увеличивается в случае низколетящих ракет. Запаздывание НЧАг возмущений составляет в среднем Тнча2 ~ 17.5мин от момента пересечения ракетой плоскости трассы и зависит от высоты ее полета, наибольшее различие в суточном ходе времени появления возмущений зарегистрировано зимой, а в период летнего солнцестояния Тнча2 практически ие зависит от времени суток.

Среднесуточное время существования НЧА1 возмущений ТНЧА1 ~ 10.Змии, а ночные значения превосходят дневные в ~ 1.5 раза. Среднее значение времени существования НЧА-> пакетов весьма близко к аналогичной величине для НЧА1, зависит от класса и высоты полета ракеты, зимой, при переходе от дневных условий к ночным, тнча2 в03~ растает почти в ~ 1.5 раза, а летом тцчл2 слабо зависит от времени суток.

В разделе 3.5 проведен анализ факторов, контролирующих временную динамику значений периодов низкочастотных акустических волн и амплитуда' частотных вариаций. Для НЧА1 пакетов наиболее энергонесущие компоненты спектра лежат в диапазоне периодов 3-г4мин. Для НЧАз диапазон периодов в котором зарегистрированы макси-

мальные смещения частоты, в суточном ходе имеет четко очерченные

границы и лежит в интервале 1 -г 2мин. Для НЧАо колебаний зависимость периода от времени аппроксимирована степенной функцией вида Т^пЛ2(г) = агь, где 1.25 < а < 1.55, 0.32 < Ь < 0.40, фшн] - время, отсчитываемое от момента появления возмущений. .

Установлено, что средние значения Д//"/¡д невелики и не превосходят ~ 0.75Гц для НЧАЬ ~ 1.4Гц для НЧА2 и ~ 0.35Гц для НЧА3 (см. табл. 1). Амплитуды вариаций'частоты характеризуются значительной дисперсией, основными причинами которой являются многолуче-вость КВ-каналаи внешние (геофизические) условия. Временная зависимость вариаций частоты для НЧА2 пакетов может быть представлена в автомодельном виде: Еарр(1погт) = 2 (0.1 + 0.91погт) / (1 + %огт), где Ьпогт - время, нормированное на временно)! интервал между моментом появления возмущения в спектре и моментом, когда смещение частоты максимально, Рарр - текущее смещение частоты, нормированное на Д/Й^Хо-

Раздел 3.6. посвящен анализу роли верхнего звукового канала в формировании пакетов низкочастотных акустических возмущений. В резз'льтате анализа з'становлепо, что деление пакетов акустических возмущений на две группы связано со следующим:

- акустические возмущения первой группы (УАВ и НЧАх) являются свободно'распространяющимися волнами;

- волновые пакеты, принадлежащие второй группе возмущений (НЧАг, НЧАз), представляют собой волны, захваченные в мезосферно-термо-сферный волновод и распространяющиеся в нем.

Форма НЧАг, НЧАз пакетов обусловлена эволюцией в процессе распространения импульсного возмущения и мезосферпо-термосферпом волноводе с полупрозрачными стенками, прозрачность верхней стенки определяется углом возвышения на высоте источника, а полупрозрачность нижней границы зависит от отношения частоты возмущения к граничной акустической частоте па уровне мезопаузы. Переход к полностью отражающей нижней границе (НЧА2, НЧА3 пакеты) приводит к исчезновению максимума Д/таг в спектре периодов, образованию плато в спектре п участка, в котором амплитуда спектральных составляющих убывает с увеличением периода по степенному закону с показателем ~ —2.2-^ — 2.3. Граница между этими участками спектра лежит в интервале периодов ~ 1 ~ 1.5мин.

Сравнительный анализ параметров различных акустических пакетов позволил установить следующие закономерности. Значения периодов НЧАг возмущений всегда меньше чем, НЧА1 возмущений: для минимальных зарегистрированных периодов отношение "^'/чло/^ча!

составляет ~ 0.25 -г 0.35, а для максимальных значений периодов "^нчАг /Т~нчА\ ~ -=" 0.7. Максимальные значения вариаций частоты Щ НЧА2 и НЧА3 возмущений для низколетящих ракет "Протон" и "Энергия" превышают аналогичную величину для ракеты "Союз". Для всех трех пакетов НЧА-возмущепнй более мощные ракеты приводят к большим амплитудам возмущений. Для ракет одного класса средние значения максимальной скорости перемещения Т^чд отражающей поверхности НЧАх возмущений слабо зависят от сезона года и времени суток;, а для НЧА2 волн зимой величины Т/"нча2 меньше летних и днем - меньше чем ночыо. Увеличение мощности двигателей ракеты и одновременное уменьшение высоты ее полета для НЧАх возмущений приводит к увеличению периода Т^цд*, а для ИЧАг волн - к его уменьшению. Уменьшение высоты активного участка траектории полета ведет к более эффективному возбуждению НЧА2 пакетов по сравнению с УАВ.

Проведенный в разделе 3.7 анализ более 100 серий ионограмм АИС г. Караганда позволил установить существование двух основных вариантов проявления послепролетных ракетных возмущений на ионо-граммах. В первом варианте на нонограммах зарегистрированы дополнительные треки, перегибы основного трека, "вилки", "крючки", диф-фузность (^-рассеяние"). Дополнительные отражения исчезают в среднем через час после старта, а вариации высотно - частотной характеристики фиксируются в течение более продолжительного промежутка времени. Второй вариант отличается от первого тем, что в течение одного (максимум двух) цикла зондирования, составляющего 15мин, на ионограммах фиксируются только дополнительные треки между одно и двукратными отражениями от области Р. Затем боковые отражения бесследно исчезают.

Раздел 3.8 посвящен выявлению гелпо-геофизических факторов, контролирующих проявляемость ионосферных возмущений, регистрируемых ионограммным методом. Показано, что вероятности появления возмущений зависит от времени суток (минимальна ночыо) и сезона года. Установлена связь длительности существования возмущений с сезоном года: в период солнцестояния распределение длительности существования является одномодальным, наибольшая вероятность которого составляет зимой ~ 1 час, а летом - находится в нуле; в равноденствие распределение является бимодальным.

В последнем разделе (3.9) рассмотрены факторы, которые для периода летнего солнцестояния во время магнитосферных и ионосферных возмущений, приводят к уменьшению либо невозможности регистрации

ракетных возмущений ионограммпым методом, а именно:

- из-за экранировки нижней ■ части слоя Г2, где находится траектория движения ракеты и, соотвестственно, модифициированная область, слоем F1, электронная концентрация в котором практически не меняется;

- вследствие появления направленной на юг компоненты скорости ветра (при расположении АИС севернее траектории движения ракеты).

Как показали материалы по УАВ во второй и третьей главах, важнейшим свойством исследуемых возмущений акустического диапазона, является эволюционность. Поэтому, цель четвертой главы состоит во всестороннем исследовании эволюции акустических возмущений, распространяющихся в неоднородной, нелинейной, вязкой атмосфере с учетом как степени расходимости возмущения (плоский, цилиндрический, сферический источники), так и характера процесса на граничной поверхности (монохроматический, импульсный, шумовой).

В разделе 4.1. рассмотрены параметры основных импульсных источников акустических возмущений на земной поверхности и в верхней атмосфере.

Раздел 4.2. посвящен выводу уравнения Бюргерса для неоднородной среды и расходящихся возмущений. Из системы уравнений гидродинамики, в приближении коротких акустических волн, малости чисел Кнудсена и Маха возмущения, с учетом нелинейных слагаемых до второго порядка малости включительно, получено уравнение, являющееся обобщением уравнения Бюргерса на случай неоднородных, нелинейных, диссипативных сред и расходящихся возмущений, из которого, как частные случаи, следуют известные в литературе уравнения, описываюнцш эволюцию плоских, цилиндрических и сферических расходящихся акустических волн в однородной среде и плоских волн в неоднородной атмосфере.

Для различных типов процессов, заданных на граничной поверхности, в разделе 4.3 методом "поэтапного" исследования трансформации формы возмущения проведен анализ закономерностей эволюции акустических возмущений в процессе их распространения в неоднородной, диссипативнон атмосфере. При распространении возмущения вниз (в более плотную атмосферу) для двух предельных случаев (радиус поверхности, ограничивающей источник, много больше и много меньше высоты однородной атмосферы) определены минимальные значения амплитуды возмущения на граничной поверхности, при которых возможно формирование последовательности акустических ударных волн.

В разделе 4.4. рассмотрена эволюция периодической последователь-

ности акустических возмущений. При распространении акустических волн в сторону уменьшения плотности среды формируется последовательность слабых ударных волн, амплитуда которых асимптотически стремится к пределу, пропорциональном}' отношению длины волны возмущения Л к высоте однородной атмосферы Н, и не зависящему от степени расходимости возмущения: Arn — Л cos Ф/2(7 + 1 )Н, где Ф -угол между направлением распространения возмущения и вертикалью.

Влияние вязкости среды на структуру окрестности ударного фронта в верхней атмосфере рассмотрено в разделе 4.5. Здесь же проведено обобщение на случаи неоднородных сред и расходящихся возмущений точного автомодельного решения, описывающего структуру фронта ударной волны в однородной среде.

Раздел 4.G. посвящен анализу эволюции импульсных акустических возмущений. При распространении импульсных акустических возмущений в сторону уменьшения плотности (Ф < тг/2), для относительной амплитуды Атн, длины импульса Лдг и ширины ударного фронта Д^ получены асимптотические соотношения, связывающие перечисленные выше параметры с относительной амплитудой V0 и длиной импульса А0 возмущения на граничной поверхности, радиусом этой поверхности г0, степенью расходимости возмущения п, высотой однородной атмосферы и длиной'свободного пробега /(?■) на расстоянии г от источника:

ÄmN = Ky/XoVo cos Ф/2 (7 + 1) Я , XN = К y/2 (7+1) X0V0H¡ cos<I>,

An = 8тrí(r)/ (7 + 1) A0v;/Í , К = (r0/r)n/4 exp (7- eos Ф/4Н) .

На основании полученных соотношений в разделе 4.7. проведены оценки параметров распространяющихся в верхней атмосфере УАВ антропогенного происхождения. Для УАВ в верхней атмосфере от ракет, выводящих на орбиту космические аппараты, в разделе 4.7.1 проведена оценка влияния разреженности среды на параметры УАВ и определена верхняя граница диапазона высот, для которого пригоден гидродинамический подход к описанию ударно-акустических возмущений 300км для двигателя РД — 10S и ~ 200км для РД — 119) и которая находится в согласии с экспериментальными данными (раздел 3.3).

Получено, что для ракет, летящих на высотах менее 100км, амплитуда УАВ имеет экстремум в области Е ионосферы, а при полете ракеты выше области Е - амплитуда УАВ монотонно убывает с высотой. Двигатели с тягой ~ ЮОтс п высотах полета ракеты больших 80 — 90км могут создавать ударные возмущения заметной интенсивности как в области Е, так и области F, а. при высоте полета, меньшей 70 4- 80км

- только в ¿^-области. Для двигателей с силой тяги ~ 11тс ракетный факел создает УАВ заметной интенсивности в той области ионосферы, в которой летит ракета. Для мощных наземных взрывов (раздел 4.7.2), сопоставимых по энерговыделсшпо со взрывом по проекту "Масса", нелинейное поглощение энергии УАВ является основным видом поглощения до высот ~ 150 -г 200км, выше 180км основным видом потерь становится вязкое трение.

Для шумовых источников акустических волн в разделе 4.8 проанализировано совместное влияние неоднородности и нелинейности среды на трансформацию спектра возмущения и установлены темпы выделения шумовых гармоник основной частоты, генерации волны производной от огибающей исходного процесса в случае узкополосного на граничной поверхности процесса и превращения в белый шум широкополосного на граничной поверхности процесса.

В пятой главе рассмотрены вопросы увлечения заряженной компоненты акустической ударной волной, полного и частичного отражения КВ-радиоволн от возмущения диэлектрической проницаемости на ударном фронте, представлена радиофизическая модель отклика сигнала наклонного доплеровского зондирования ионосферы, возмущенной ударными волнами. С помощью этой модели исследована реакция КВ-канала на появление в области F ионосферы ударных волн от мощных наземных взрывов и стартов ракет н проведен сравнительный анализ данных натурных и вычислительных экспериментов.

Вопросы увлечения заряженной компоненты ионосферы ударными волнами в нейтральном газе рассмотрены в разделе 5.1. В результате получено: в области Е и EF-долиис скорость диффузионного расплы-вапия наиболее крутых участков профиля возмущения электронной концентрации не превосходит скорости раенлывания ударных фронтов акустической волны из-за вязкости, учет амбпполярной диффузии в области F приводит к уменьшению амплитуд Фурье - компонент верхнего крыла спектра и к сглаживанию наиболее крутых участков профиля возмущения Ne, соответствующих ударным фронтам; существо-ванне в ионосфере значительных градиентов, расслоений или тонких слоев приводит к асснметрпчпости формы профиля возмущения заряженной компоненты и ее отличию от профиля ЛГ-волны в нейтральном газе.

Разработке и реализации замкнутой радиофизической модели пространственно - временной динамики параметров КВ-сигнала, распространяющегося в возмущенном ударно акустическими волнами от ракет и взрывов ионосферном канале связи, посвящен раздел 5.2.

Модель включает в себя в качестве составных частей: нестационарную модель среды распространения радиоволн; нестационарную модель возмущения электронной концентрации; метод расчета параметров радиосигнала (метод геометрической оптики). В качестве модели фоновой ионосферы использовались: модель IRI; аналитическое задание профиля концентрации электронов; серии экспериментальных профилей, полученные при обращении ионограмм. Модель N'e представляет собой распространяющуюся со околозуковой скоростью N-волну и является эволюционной: параметры модели Ат^, Адг, Ддг изменя-. ются в зависимости от расстояния, вязкости среды, угла Ф и угла.между геомагнитным полем и направлением движения элемента возмущения. Граница возмущения представляет собой сечение плоскостью радиотрассы расширяющейся со звуковой скоростью сферы (источник - взрыв) или перемещающегося со скоростью движения ракеты ударного конуса.

Оценка адекватности модели проведена в разделе 5.2 на примере взрыва по проекту "Масса". Зарегистрированные экспериментально ИИ HAH Респ. Казахстан и рассчитанные по предложенной модели времена задержки появления возмущений в спектре относительно момента взрыва At, длительность существования возмущений г, размах доплеровских вариаций частоты fd, амплитуды возмущения электронной концентрации AmNe и частоты зондирования ft представлены в табл. 2. Передающий пункт был расположен в п.Тургень.

Таблица 2

Приемный ft, Эксперимент Модель

пункт МГц At, т, fd 1 At, г, fd, AmNe1,

с с Гц с с Гц %

Капчагай 4.9 516 50 0.94 530 43 0.96 2.3

Алма-Ата 2.0 418 16 0.7 427 11 - 6.6

Алма-Ата 4.9 516 53 1.7 536 44 1.15 2.8

Фрунзе 4.9 554 60 0.24 556 45 0.68 2.5

При удалении плоскости трассы от эпицентра взрыва расхождение между теоретическими и экспериментальными оценками увеличивается. Основными причинами такого расхождения являются расходимость возмущения, отличная от сферической вследствие стратификации атмосферы, и наличие системы ветров в верхней атмосфере. Эти факторы при анализе возмущений в верхней атмосфере методами нелинейной акустики не учитывались.

Оценка характерных величин относительных возмущений электронной концентрации проведена в разделе 5.4. Для эксперимента "Масса" значения амплитуд возмущений Ne не превосходят единиц процентов, область, занимаемая возмущением на 7 4- 10. мин после взрыва, представляет собой купол с толщиной стенки ~ 2 -f 25км, диаметром ~ 150 300км, высотой вершины ~ 135 270км, через 9 -г 10 мин после взрыва возмущения остаются только в области Е и нижней части ¿^-долины. Ударно-акустические возмущения от ракет с силой тяги ~ ЮОтс и высотах полета более 80 -г 90км создают возмущения Ne заметной интенсивности в Е и F областях, а при высотах полета, меньших 70км, - только в области Е.

Процессы рассеяния радиоволн на возмущениях диэлектрической проницаемости, образованных передним фронтом УАВ, рассмотрены в разделе 5.5. Диапазон углов полного внутреннего отражения КВ-радиоволн от переднего фронта возмущения, связанного с УАВ от ракет (.РН "Союз") и мощных взрывов (эксперимент "Масса") не превосходят единиц градусов и является наименьшим зимней ночыо при низком уровне солнечной активности. Область высот, в которой могут существовать частичные отражения от УАВ, ограничена снизу основанием слоя Е, а сверху высотой ~ 125 -f 130км.

Анализу закономерностей'отклика сигнала при появлении в ионосфере УАВ от наземных взрывов посвящен раздел 5.6. Выявлено, что появление дополнительных модов в спектре сигнала обусловлено появлением дополнительных каналов распространения радиоволн. Положительные смещения частоты обусловлены отражением радиоволны от приближающегося к лучевой трубке переднего или заднего фронтов УАВ, а отрицательные - при отражении радиоволны от пологой части /V-волиы.

Нестационарность возмущения iVe, вызванная распространением УАВ в ионосферной плазме, приводит к формированию и перемещению двух зон многолучевости н связанных с ними систем каустик вдоль поверхности Земли. Одна зона движется по направлению к передатчику, другая - от пего. Появление в верхней атмосфере УАВ от ракет может приводить к увеличению числа зон многолучевости в несколько раз. Характерной чертой пространственно-временной эволюции отклика сигнала является появление и исчезновение бифуркаций. Происходящее при этом изменение модовой структуры разделяет области, в которых форма профиля смещения частоты имеет автомодельный вид.

Определен, в зависимости от мощности заряда, диапазон дальностей, в котором возможна регистрация возмущений в отклике сигиа-

ла. При проведении двух взрывов, разнесенных вдоль радиотрассы на ~ 500км, появление возмущения в отклике сигнала разнесено по времени появления и диапазону дальностей, при уменьшении расстояния между эпицентрами до ~ 150км "М" - образные вариации частоты сливаются в "трехгорбые", а при ~ 50км раздельная регистрация откликов сигнала от разных взрывов невозможна. Для ДI ~ 25км отклик сигнала по форме аналогичен отклику сигнала на одиночный взрыв, но амплитуда вариаций возрастает.

В разделе 5.7. рассмотрены факторы, контролирующие форму отклика сигнала при прохождении в верхней атмосфере УАВ от ракет.

Оценки линейных размеров ударного возмущения и его элементов на уровне отражения радиосигнала от ионосферы позволили устано-влить, что даже при учете интегральности эффекта Доплера характерные линейные размеры ударного возмущения оказались во много раз больше зарегистрированных на Земле. Таким образом, обработка данных, полученных при запусках ракет, позволила сделать вывод о том, что модели начального этапа формирования ударных волн дают те значения параметров возмущений, эволюция которых в процессе распространения приводит к возмущениям верхней атмосферы, близким к экспериментально зарегистрированым.

В случае' частот зондирования, для которых /г//мпч < 0.7 отклик сигнала па появление в верхней атмосфере ударно-акустическуих волн от ракет во всем диапазоне дальностей имеет М-образный вид. Увеличение частоты зопдированпя и приближение источника возмущения электронной концентрации к острию Поверлайна трансформирует М-образное возмущение в "разорванное петлеобразное" возмущение. Дальнейшее увеличение частоты зондирования приводит к фактическому исчезновению М-образпых форм из спектра сигнала, уходу концов "петлеобразного" возмущения на бесконечно большое расстояние (захват радиоволн межслоевым EF-кaнaлoм), замене возмущения "петлеобразной" формы на возмущения более сложных форм, характерная особенность которых - появление в отклике сигнала точек возврата.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Список цитируемой литературы приведен в конце работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Нагорский П.М. О возмущениях электронной концентрации в ионосфере, вызываемых наземными взрывами // Изв. АН СССР.

Физика Земли. 1985. №11. С.66-71.

2. Нагорский П.М., Таращук: Ю.Е. Ионосферные возмущения, вызы-

ваемые мощными взрывами // Изв. ВУЗов Физика. 1992. Т.35. №9. С.110-119.

3. Нагорский П.М., Таращук Ю.Е. Искусственная модификация ио-

носферы при стартах ракет, выводящих на орбиту космические аппараты // Изв. ВУЗов Физика, 1993. Т.36. №10. С.98-107.

4. Нагорский П.М. Неоднородная структура области Е ионосферы,

образованная ракетами // Геомагнетизм и аэрономия. 1998. Т.38. №2. С.100-106.

5. Таращук Ю.Е., Нагорский П.М., Борисов Б.Б. и др. Нестационар-

ные процессы в ионосфере Земли и их влияние на распространение коротких радиоволн. Томск: Изд. ТГУ, 1986. 164с.

6. Нагорский П.М. О влиянии инфразвукового шума от слабых зе-

млетрясений на спектр радиосигнала, отраженного от ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1979. Т. 29. С.68-72.

7: Альперович Л.С., Вугмейстер Б.О.,.., Нагорский П.М. и др. Об опыте моделирования магнптосферно - ионосферных эффектов при сейсмических явлениях // Докл. Акад. паук СССР. 1983. Т.269. №3. С.573-578.

8. Альперович Л.С., Афраймович Э.Л.,..., Нагорский П.М. и др. Аку-

стическая волна взрыва. // Изв. АН СССР. Физика. Земли. 1985. №11. С.32-42.

9. Альперович Л.С., Вугмейстер Б.О.,..., Нагорский П.М. и др. Ионо-

сферные эффекты, скоррелированные с вариациями геомагнитного поля, наблюдавшиеся во время эксперимента "Масса" // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1985. №11. С.83-87.

10. Киселев В.Ф., Нагорский П.М., Таращук Ю.Е. и др. Влияние про-

мышленных взрывов на наклонное распространение КВ - радио-волн // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1985. №11. С.45-54.

11. Дробжев В.И., Калиев М.З.,..., Нагорский П.М. и др. Вариации амплитуды сигналов наклонного зондирования во время эксперимента "Масса" // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1985. №11. С.61-65.

12. Алебастров В.А., Безрученко Л.И.,..., Нагорский П.М. и др. Отклик ионосферы на возмущения, инициированные промышленным взрывом // В сб. Ионосферные исследования. М.: Наука,

1986. №39. С.61-68.

13. Нагорский П.М., Таращук Ю.Е., Цыбиков Б.В. Использование SFD, наблюдаемых во время солнечных вспышек, для изучения способов распространения коротких радиоволн // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т.25. <3.1020-1023.

14. Жебсаин В.В., Нагорский П.М., Таращук Ю.Е. и др. Модовая структура КВ - сигнала в переходное время суток // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т.25. С.1016-1018.

15. Нагорский П.М., Таращук Ю.Е., Цыбиков Б.Б. Модовая структу-

ра КВ-сигналов во время регулярных суточных вариаций электронной концентрации // Геомагнетизм и аэрономия. 1987. Т.27. С.149-151.

16. Нагорский П.М., Таращук Ю.Е., Тимченко Н.И. Динамика слоя F2

во время взрыва по пректу " Масса" // Геомагнетизм и аэрономия.

1987. Т.27. С.138-140.

17. Жебсаин В.В., Нагорский П.М., Цыбиков Б.Б. Динамика ионосфе-

ры во время внезапных геомагнитных начал // Геомагнетизм и аэрономия. 1990. Т.ЗО. С.673-675.

18. Жебсаин В.В., Нагорский П.М., Цыбиков Б.Б. Модельные эксперименты в задачах диагностики нестационарных процессов //В сб. памяти Б.Н.Гершмана: Неоднородная структура ионосферы. Якутск: СО АН СССР, 1991. С.85-91.

19. Колесник А.Г., Колесник С.А., Нагорский П.М. Роль ионосферной

плазмы в формировании электромагнитного поля КВ - диапазона в окружающей среде // Изв. ВУЗ'ов Физика. 1996. № 10. С.16-23.

20. Нагорский П.М. Влияние акустических возмущений, приходящих

в ионосферу от землетрясений и извержений вулканов, на распространение радиоволн КВ-диапазона // В сб. Электродинамика и распространение волн. Томск: Изд. ТГУ, 1980. Вып.1. С.128-131.

21. Нагорский П.М. Изменение свойств ионосферного волнового канала под влиянием интенсивных акустических возмущений //В

сб. Электродинамика и распространение волн. Томск: Изд. ТГУ, 1982. Вып.2. С.77-82.

22. Альперович Л.С., Вугмейстер Б.О.,.., Нагорский П.М. и др. Об опыте моделирования магнитосферно - ионосферных эффектов при сейсмических явлениях. // М.: ИФЗ АН СССР, 1982. Препр. №11. 18с.

23. Альперович Л.С., Афраймович Э.Л.,..., Нагорский П.М. и др. Аку-

стическая волна взрыва и ее ионосферные эффекты. М.: ИФЗ АН СССР, 1983. Препр. N4. 39с.

24. Борисов Б.Б., Киселев В.Ф.,.., Нагорский П.М. и др. Приемно-измерительный комплекс для исследования тонкой структуры КВ-сигнала // В сб. Электродинамика и распространение волн. Томск: Изд. ТГУ, 1984. Вып.4. С.81-86.

25. Нагорский П.М., Таращук Ю.Е., Тимченко Н.И. Ионосферные возмущешшя, зарегистрированные сетыо станций вертикального зондирования во время эксперимента по проекту "Масса" //В сб. Электродинамика и распространение волн. Томск: Изд. ТГУ, 1987. Вып.б. С.224-227. ■ .

26. Жебсаин В.В., Нагорский П.М., Цыбиков Б.Б. Моделирование ме-

ханизмов распространения радиоволн в задачах диагностики нестационарных процессов // В сб. Применение ЭВМ в исследованиях физических процессов в атмосфере и ионосфере. Новосибирск: Изд. ИГГ СО АН СССР, 1987. С.152-159.

27. Жебсаин В.В., Нагорский П.М., Цыбиков Б.Б. Вычислительные эксперименты по исследованию распространения радиоволн в нестационарной ионосфере // В сб. Волновые процессы в ионосфере. Алма-Ата: Наука Каз. ССР, 1987. С.43 53.

28. Нагорский П.М., Цыбиков Б.Б. Моделирование ионосферного рас-

пространения КВ - радиоволн в вечернее время суток // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1990. Вып.92. С.51-55.

29. Колесник А.Г., Колесник С.А., Нагорский П.М. и др. Радиотехнический комплекс диагностики и контроля параметров электромагнитного фона в канале Земля - ионосфера // Ионосферные исследования. № 50. Казань: Изд. КазГУ, 1997. С.244-252.

30. Нагорский П.М. О влиянии инфразвуковых волн от землетрясений на форму спектра коротковолнового радиосигнала // В сб. VII Всес. симп. по дифракции и распространению волн. Краткие тексты докладов. М.: Наука, 1977. Т.З. С.193-195.

31. Киселев В.Ф., Нагорский П.М., Цыбиков Б.Б. Динамика ионосфе-

ры по данным наклонного зондирования во время внезапных начал геомагнитных бурь // В сб. V Симпозиум КАПГ по солнечно - земной физике. Тез. докл. М.: Наука, 1989. С. 196-197.

32. Жебсаин В.В., Нагорский П.М., Цыбиков Б.Б. Отклик сигнала наклонного зондирования при наличии в ионосфере нестационарных процессов естественного и искусственного происхождения // XVI Всес. конф. по распространению радиоволн. Тез. докл. М.: Наука, 1990. 4.1. С.158.

33. Нагорский П.М. Применение теории катастроф для анализа данных наклонного распространения KB - радиоволн в нестационарной ионосфере // В сб. IV международная научно - техн. конф. Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах. Тез. докл. М.: НТОРЭС, 1994. С.177-179.

34. Нагорский П.М. Волновые возмущения в ионосфере от мощных ан- •

тропогенных источников // Междунар. конф. по физике солнечно-земных связей. Тез. докл. Алматы: GANY, 1994. С.65-66.

35. Борисов Б.Б., Киселев В.Ф., Нагорский П.М. и др. Вариации частоты KB - радиоволн, распространяющихся в ночной субполярной ионосфере во время запуска спутника 16.11.92 г. // IV Международная научно - техн. конф. Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средахлТез. докл. М.: НТОРЭС, 1994. С.152-153.

36. Belov V.A., Kolesnik A.G., Kolesnik S.A., Nagorsky P.M. et al. Modelling of electromagnetic field dencity distribution in the near-earht space // Intern. Wroclaw Synip. on Electromagnetic Compabili-ty. 1994. P.401-405.

37. Нагорский П.М. Антропогенные волновые возмущения F-области

среднеширотной ионосферы // Международ, симп. Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики. Тез. докл. Томск: Изд. HTJI. 1996. С.95-96.

38. Благовещенская Н.Ф., Костров Л.М., Нагорский П.М. и др. Мониторинг естественной и искусственной модифицированной ионосферы с использованием сети доплеровских комплексов // Международ. симп. Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики. Тез. докл. Томск: Изд. НТЛ. 1996. С. 14-15.

39. Нагорский П.М. Антропогенные волновые возмущения F-области

ионосферы средних широт // XVIII Всеросс. конф. по распр. радиоволн. Тез. докл. М.: Изд. ИРЭ РАН. 1996. Т.2. С.363.

40. Жебсаин В.В., Нагорский П.М. Наклонное распространение дека-

метровых радиоволн при одновременном воздействии естественных и антропогенных нестационарностей на ионосферу // XVIII Всеросс. конф. по распр. радиоволн. Тез. докл. Т.2. М.: Изд. ИРЭ РАН. 1996. С.380-381.

41. Нагорский П.М.; Цыбиков Б.Б. Крупномасштабные непреднамеренные волновые возмущения ионосферы // Всеросс. научн. конф. Физические проблемы экологии (Физическая экология) Тез. докл. М.: Изд. МГУ, 1997. Т.2. С.63.

42. Kolesnik A.G., Kolesnik S.A., Nagorsky P.M. Modelling of electromag-

netic field frequency disturbation in HF-band // Progr. in Electromagn. Res. Sym. Proc. Innsbruck. Austria. 1996. P.503.

43. Zhebsain V.V., Nagorsky P.M. Simulation of the signal response reflected from ionospheric disturbed by explosive acoustic wave // 10ift General Conf. of the European Phys. Soc. Abstracts. Spain. Seville: 1996. P.313.

44. Zhebsain V.V., Nagorsky P.M. Ionospheric injections influence of the chemical reagents on the mechanisms oh HF radio wave propagation // 8th Scientific Ass. of IAGA with ICMA and STS^ymp. Abstracts. Sweden. Uppsala: 1997. P.351.

Подписано в печать

CtCfgfM 1998 г. Тираж 100 экз. Бесплатно

Заказ N 2 04 РИО ТГУ, Томск, 634029, ул. Никитина, 4.