Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Пространственно-временные параметры среднемасштабных волновых возмущений по данным многочастотного доплеровского зондирования ионосферы

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временные параметры среднемасштабных волновых возмущений по данным многочастотного доплеровского зондирования ионосферы"

Р ОХ С -И й' С К А Я АКАДЕМИЙ СИБИЫКСЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО-ЗЕлИОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи ЛИТВИНОВ Юрий Георгиевич

УДК 551.596.1; 550.388.2

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ СРЕДНЕМАСШТАШШХ ВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПО ДАННЫЕ ШОГОЧАСТОТНОГО ДОПЛЕРОЕСКОГО ЗОВДртОВАгШ ИОНОСФЕРЫ

(04.00.22 - геофизика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата гизиго-математических наук

Ф

Иркутск - 1992

Работа выполнена в Институте ионосферн АН Республики Казахстан.

Научнке руководители; член-корреспондент АН РК " Дробяев В.И.

кандидат физико-математических наук Яковец А.Ф.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Афраймович Э.Л., ИСЗФ кандидат физико-математических наук Калихман А.Д., ИЛИ

Ведущая организация: - Сибирский физико-технический

институт ил. З.Д.Кузнецова.

Защита диссертации состоится "_"_1993 г.

б _ттасов на заседании Специализированного совета

Д.003.24.01 при Институте солнечно-земной физики СО РАН. 664033, г.Иркутск, а/я 4026, ул.Лермонтова 125.

С диссертацией ыокно ознакомиться в библиотеке ИС32 СО РАН.

~ ^ Г

Автореферат разослан " .¿4 " НС^С о ¡¡^ 1592 г.

Ученуй секретарь Специализированного согета кандидат физико-математических наук

Гал::;:н А.И.

- 3 -

'. , ' ' ' ' ОЩАЯ ХАРАКЕЖГШКА РАБОТЫ Актуальность темы. Важное место в динамике Земной атмосферы занимают волновые процессы. Волновые возмущения с периодами от минут до нескольких часов и горизонт альньми масштабами от сотен до нескольких тьтсяч километров относятся к классу акустико-гравитацитаных волн (АГВ). Эти волны, распространяясь в термосферу, обеспечивато приток тепла, сравнимый по еэ-личине с солнечны/ нагревом, и вносят значимый вклад в ускорение средней циркуляции. На ионосферных высотах АГВ вызывают волновке возмущения ионосферы (ВВ) за счет вовлечения заряженных частиц ионосферы в волновое движение -через их -столкновения с нейтральными частицами. ВВ классифицируют на два основных типа: крупномасштабные и среднемасштабные. Редко наблюдаемые крупномасштабные БВ с периодами 0.5-3 часа возбуждаются в йь* роральных районах во время геомагнитны^ бурь, сопровождаемых высыпанием частиц, действием сил Лоренца и джоулева тепла. Среднемасштабные ЕВ наблюдается в ионосфере регулярно. Они имеют периоды от ~ 10 дг ^ 90. минут, а их источниками 'Являются: метеорологические струйные течения, погодные фронты, солнечный терлинатор, землетрясения, взаилодейстбйе с горнши массива1.!и, вихревые мезшаспггабные турбулентные Двиёенйя.-Постоянно присутствующие в ионосфере средаемшШаЙйе волновые возмущения оказывают заметное влияние на айплЖуды, фазы и траектории радиосигналов при вертикальном; найлокном и возвратно-наклоннсм распространении в декаметрсвШ диапазоне радиоволн и при трансионосферном рзспрос'граиёНки в ШШ-ровом диапазоне. ВСледствии этого реалвная разрёшайшй спс£-собность и чувствительность. радйотёхшйёскЬс ёйстём радйоясР кации, радионавигации, а-также радиоастрономических комплексов, использующих разнесенный прием, оказывается в ряде си-

туаций Хуже потенциально достижимых величин. Для внесения коррекций е работу радиотехнических систем -необходимо знание ВВ для любого времени суток, сезона, солнечной активности, с цельв построения модели ЕВ, элементы которой могли быть использованы на практике. Такая модель необходима также для решения задач динамики ионосферы, б которой важную роль играют волновые процессы различной природы. Следует отметить другой прикладной аспект рассматриваемой проблемы. 5 последние годы весьма актуально стало изучение отклика атмосфер*- и ионосферу на различные -техногенные воздействия. Как правило, отклик ионосферы имеет волнссуэ природу, причем параметры волк лежат з частотном диапазоне фоновых, постоянно существующих БВ, которые в данной ситуации выступает з качестве аддитивной помехи в задаче выделения сигнала из аума.

Изучение волновьх: возмущений в атмосфере и ионосфере продолжает оставаться в центре внимания ученых многих стран мира, о чем говорят интенсивные исследования, проводимые в рамках таких Международных программ, как УАСЗ (Исследования акусти-ко-гравитационнкх волн), ЗТЕР (Программа исследования солнечно-земной физики). Несмотря на предпринятые усилия, некоторые стороны проблемы до настоящего времени оказались недостаточно изученными. В частности, практически нет данных по связи параметров волновых возмущений с солнечной и магнитной активностью, высотной завьсгмости характеристик „ЯВ различных частотных диапазонов, не-установлены механизмы быстрого падения пространственной когерентности поля возмущений электронного содержания Р£ слоя. Решение таких задач требует, с одной стороны, развития V. с о ЕРргенст во вания инфогмагиЕнис радиофизических методов диагностики ЕЗ, с другой стороны, расширения сети измерительных пунктов и проведения регулярных измерений.

цель работа. Изучение пространственно-нреиеннь™ характеристик распростзаненкг спеднеыасстабных еслное??: вс.тгуяени? ё-с5лас?к сретеевкрстней иснооферг ка ссногь:

- создания аппаратурного комплекса, реалкзуотегс цозле-роЕский метоп, при многочастотнсм импульсноь: зондировании ко-юссерк;

- разработки методики измерений;

- организации и проведения регулярных измерений нз проста ¡анстЕенной решетке измерительное инструментов;

- анализа результатов, полученных в р&злкчннх гео-лгелиот .изичееких условиях.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

а) создан радиофизический комплекс, реализующий допдеро&г кий метод при импульсном ыногочастотном, зондировании ионоефет L-, позволяющий полукзть данное о параметрах ЕВ одновременно

а ряде еъ'сот ниже главного ионосферного максимума;

б) исследована высотная зависимость относительной ампли-1,'дг ВВ в различных частоткьт диапазонах при различных уров-тх солнечной активности:

в) проведена сценка ра-иусв когерентности поля еслн,;гку ..носфернь':-: Еозмупенкй в дневное и ночное время, выявлена ■язь когерентности поля ЕВ е горизонтальной плоскости с ювнеи катя-ной активности: показано, что радиус* ксгерент-¡сти в плоскости разового фронта иеньве рад^/са ксгеректкос-: в направлении, перпендикулярно:.', ¿азсвсму фронту, и уставлено, что поле Еозмуяенкй однородно в вертикальной плсс-сти в Ексстном интервале от 150 км дс 380 raí;

г) рассмотрена причина быстрого падение когерентности ля возмузенкй электронного содержания Р2-слся ионосферы, стоящая в тс:.:, что поле возмущений образуется как волновьми

_ 6 -

t .

.возмущениями, так и возмущениями стохастической природы;

предложен метод расчета функции когерентности для чисто волновых возмущений;

д) на основе одновременных измерений вертикальной и горизонтальной фазовых скоростей показано, что частотная зависимость угла наклона фазового фронта имеет ввд, близкий к зависимости предельного угла наклона, определяемого диспер-сшшьы соотношением.

Научная и практическая значимость таботы. Полученные в работе новые сведения о динамике и структуре среднепиротной ионосферы полезны при разработке модельных представлений и. при дальнейших исследованиях ионосферы. Выявленные свойства, неоднородностей могут быть использованы в целях улучшения работы линий связи, радионавигации и повшения точности педен-гационных и локационных измерений.

Достоверность результатов исследований. Научные- положения сформированные в диссертации, являются обоснованными. Их достоверность И надежность подтверждены мддельньыи рас- ■ четами, контрольными экспериментами, исследованиями других авторов и Актами внедрения. "

' Реализация результатов. Результаты исследований вошли составной частью в исследования среднемасщтабных ВВ, которые выполнялись в рамках проекта "\л/АД2межцународаой программы VITS, Всесоюзной программы "Волновые возмущения" и внедрены в 4-х научных учреждениях, на что имеются акты внедрения.

На защиту выносятся:

- аппаратурный комплекс диагностики волновых ионосферных возмущений;

- результаты методических исследований пределов примени: ости метода многочастотного доплеровского зондирования и

достоверности получении: данных;

- 10-летний цикл наблюдений волновых возмущений, проведенных: "в различных гелио-геофизическкх условиях;

- результаты исследования пространственно-временных характеристик среднемасштабных волновых возмущений.

Личное участие автора в получении научных результатов.

Автор пркнидал непосредственное участие во всех стадиях проведения исследований: от постановки задач к создания аппаратурного комплекса, до интерпретации результатов эксперимента.

В ходе работы лично автором сделано следушее:

- разработан и изготовлен аппаратурный комплекс, предложена методика доплеровских измерений пр! к.! пуль сном- зондировании с .использованием системы фазовой автоподст'ройки частоты;

- получены н обработаны результаты догьеровешйг измерений, на основании которых удалось установись закономерности в поведении волновых возмущений;

- проведены численные оценки параметров ВВ в .ионосфере, выявлено соответствие экспериментальных результатов .современ-нш теоретическим представления}.;.

Аппробация работы. Материал^, предатавденкые в диссерг тадии, докладывались и обсувдащ&ь на 13 Всесоюзной конференции по распространений радиоволн (Горький, 1961 .г.<); т 1-ой Республиканской конференции по автоматизации .научных доследований" (Алма-Ата, 1982 г.); на У Всесоюзном совещании по исследования дкйашгческсх процессов в .верхней атмосфере Земли (Обнинск,- 1$В5 г.); ць. 2 семинаре КАДГ по метеорологическим эффёктйй в ионосфере (Болгария, София, 1965 г.); на ХУ Всесоюзной конференции по распространенно радиоволн (Алма-Ата, 1987 г.); на 2 Всесопзнсм совещании ссЕетекет участников

ирограммьА^А-^ (Иссык-Куль, тс£з г_). кз Всесоюзном симпозиуме "Геофизические аспекту переноса примесей в верхней атмосфере" (Обнинск, 1950 г.); на Л! .■.¡ежведсмствекном семинаре по ионосферному мониторингу (Новороссийск, 1991 г.), а также на семинарах Института ионосферы АН РК.

Публикации. СсноЕные результаты диссертации опубликованы в 19 статьях и затаены двумя авторскими свидетельства:.»!. Материалы диссертации использованы также в научно-исследовательских отчетах по планам АН РК и хоздоговорных работах.

Структура у объем диссертации. Диссертация состой'.' из введения, четырех глав к заключения, содержит страниц

машинописного текста, 35 риснка, список цитируемой литературы из 131 наименований; общий объем диссертации страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении•обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы задачи и научная новизна работы, дана характеристика теоретической и практической ценности работы, приведены основные положения,выносимые на защиту, и описана структура диссертации.

Первая глава посвящена краткому описанию радиофизических методов зондирования ионосферы применительно к их возможностям при изучении ионосферных волновых Еозмущений, и обзору результатов многолетних экспериментальных исследований ионосферных БЗ.

Б 5 1.1. проведена классификация методов зондирования Еерхкей атмосферы, обсуждены достоинства и недостатки- каждого ;:з пгх. Отмечено, что одним из наиболее распространенных методов изучения динамических процессов ионосферы является дсп-

- s -

■перовский метод.

В обзоре (§ 1.2) рассмотрена сложившаяся к настоящему времени классификация ЕВ на крупно-, и средне-масштабные возмущения. Особое внимание было уделено результатам исследования среднемасстабных ВВ. Обобщены данные о спектральном составе, фазовых скоростях и юс дисперсии. Проанализированы клеящиеся г литературе результаты измерении когерентности поля ионосферных Еозмуше.чзй. Рассмотрены данные высотного хода относительней амплгггуды неоднородностей различных частотных диапазонов. Показано, что несмотря на имсазийся экспергаенталь-нкй материал, ряд зопросос исследован недостаточно.

В последнем параграфе главы сформулирована задача исследований.

Во второй главе описывается аппаратурный комплекс и методика измерений.

В § 2.1. дается обоснование выбора доплеровского метода при многочастотном импульсном зондировании для исследования ионосферных неоднородностей. Приведена структурная схема разработанного изготовленного авюрсм аппаратурного комплекс?.. В его состав входят многсчастотна? установка, осущестБляозаг излучение'!! прием сигнала на 5-ти частотах одновременно, и 3 пространственно разнесенных приемных пункта..Приемно-пере-даюзкй пункт и приемники, установленные на расстоянии порядка 60 км к северу, востоку и югу, образуат измерительный треугольник. Наблюдения за ионосферныли ВБ проведены с I9SI по 1991 гг.; за яго вргмя получено более 6000 часов измерений.

Многочастотная установка, основу которой составляет иог-нозенды СП-3, МИС-5 и синтезаторы частоты 46-31, описана в § 2.2. МИС-5 работает одновременно на 4-х частотах, СП-3 -на одной. Передатчики станций излучаят радиоимпульсы с часто-

той заполнения, задаваемой синтезаторами со стабильностью не хуже Ю-® за час. Два других синтезатора частоты выполняют функция опорных генераторов. Доплеровский сдвиг частоты •РдС'Ь ) отраженного от ионосферы сигнала определяется по частоте биений, полученных в результате смешивания опорного и ионосферного сигналов во входных цепях приемников. Проблема электромагнитной совместимости работающих рядом станций решена путем их тщательной синхронизации. С этой целью тактовые импульсы СП-3 формируются из напряжения сети 220 В, 50 Гц, а тактовые шпульсы МИС-5 - из этого не напряжения, но сдвинутого пс фазе Ь С - фазовращателем и затем удвоенного по частоте. Полученные таким образом импульсы запускают модуляторы передатчиков ионозондов и схемы формирования стробируших импульсов, необходимых для выделения сигналов из помех. Импульсная последовательность с частотой 100 Гц с помощью счетчиков и дешифраторов разбивается на 4-е параллельных последовательное^ с частотой 25 Гц каждая, которые подаются через 4-е группы переключателей установки рабочих частот на ключи, поимпульсж переключающие частоту настройки приемников МИС-5 и выходную частоту синтезаторов. В 46-31 начальная фаза выходного сигнала при переключении по циклу сохраняется для частот, кратных 100 кГц; ото и определило дискретность переключаемых частот.

В приемных пунктах для регистрации ^(^ ) отраженного от ионосферы радиоимпульса используются устройства, изготовленные на базе приемников Р-25С и приемников с внутренним еь сокостабкльньи синтезатором частоты Р-399А. В первом случае доплеровский сдвиг, как и в мнсгсчаетстнол установке, спред; лретср по частоте биенво вторсм случае производится автоматическая обработка сигналов и регистрация -) в координатах частота-ьремя (§ 2.3). Для этой цели используется

- II - ■

фазовая автомат те окая подстройка частоты. Диапазон рабочих частот аппаратурного комплекса 1-20 АТц. Точность определения доплеровского сдвига частота около 0,01 Гц. Комплекс защищен двумя авторскими свидетельствами.

Наблюдения за огибающей радиоимпульса после детекторов приемников показали, что в отдельные сеансы измерений импульсный сигнал в ионосфере испытывает значительные дисперсионные искажения. Из-за разных задерзек распространения спектральных составлявших частота несущей радиоимпульса на выходе ионосферы увеличивается со временил, увеличивается и длительность импульса. При большом набеге частоты, вызванного диспергирующей ионосферой, фаза биений в' конце шпульса сдвинута относительно фазы в начале импульса более, чем на 0,5 рад, что не позволяет определить величину доасгровского сдвига частоты. Расчеты, выполненные для параболической модели ионосферы, показали, что вблизи критической частоты существует участок, "запрещенный" для работы импульсного доплеровского ионозонда (§ 2.4). Ширина этого участка зависит как от параметров ионосферы, так и от длительности зондирующего импульса. Диапазон частот, "запрещенный" для работы, составляет <-^0,3 МГц для импульсов длительностью 100 мкс и~1,5 МГц для длительности 50 мкс при ¿Гц и полутолзике слоя ±т=Ю0 мл.

Основные принципы спектрального анализа стохастических временных рядов на основе метода Блаккана-Тьвки, применение котор'ого при обработке экспериментальных записей, полученных на !.;ногочастстной установке, позволяет определить спектральный состав, скорость перемещения и другие характеристики ВВ, кратко изложены в § 2.5. Рассмотрен также алгоритм метода комплексной демодуляции, который применялся в диссертационной работе для анализа временного поведения волновых возмущений

при определении относительной амплитуды ВВ.

В § 2.6. проведено сопоставление доплероЕсксго и ионог-раммного методов. Это дало возможность убедиться в адекватное ти методов для определения спектрального состава ВЬ. Измерения проводились в Алма-Ате на двух ионозондах типа СП-3. На одном ионозонде каждые 3 минуты регистрировались ионограммы, на другом осуществлялось измерение доплероЕского сдвига частоты при вертикальном зондирования ионосферы. Из доплеровс-ких записей рассчитывались изменения фазового пути, а по последовательности ионограмы для этой же частоты определялось поведение во времени группового пути. На основе результатов эксперимента делается несколько выеодов (5 2.6):

а) наблвдается хорошее подобие между поведением группового и фазового пути; их рассчитанные спектральные плотности показали совпадение в области низких частот вплоть до частоты 3 ч"1;

б) флуктуации ) больше флуктуаций Р (t );

в) фаза флуктуаций Р (t ) близка к фазе флуктуаций

Р (i ), т.е. изменения этих параметров в основном определятся изменением высоты отражения радиосигнала.

В третьей главе по результатам измерений доплеровского сдвига частоты на ряде частот и в нескольких разнесенных пунктах исследуется когерентность поля волноьых ионосферных возмущений - основной параметр, характеризующий пространственную структуру волн. Расчеты функций когерентности между дЕумя записями проводились методом Блэкмана-Тьюки. Функция когерентности (квадрат спектра когерентности) имеет вид:

Здесь С2т( -р ) и С2£( I ) - автоспектры записей. А-^Л ^ ) -взаимный амплитудный спектр. Значение К^С'? ) является мерой корреляции ДЕух записей на ка-кдой из частот спектра ВВ. В качестве верхней границы Э&^-ного доверительного интервала когерентности двух независимых процессов выбрано значение К^зС^ )=0,35. Длительность сеансов измерений достигала 10-12 часов, что обеспечивало не менее 20 степеней свободы при спектральной обраоотке, а ширина корреляционного окна Тьюки, используемого в анализе, обычно составляла I час. Ионосферные волновые возмущения обладают линейчатым спектром, поэтому функции когерентности шегат максимумы, приходящиеся на частотные диапазоны, в которых наблюдаются ВВ. С целью получения зависимости величины когерент; ости от расстояния использовались значения когерентности в мак с шумах К^С I ), а им в соответствие ставились расстояния ме;лду областями отражения, для которых, рассчитывались Весь частотнь® диапазон, занимаемый ВВ, был разбит на 4 поддиапазона: очень низкочастотный (ОНЧ) для частот ^ I ч-*, низкочастотный

I ч"1 < 2 ч"1 (НЧ), среднечастотный (СЧ) 2 ч~1<|<4 ч-1

I Р Т

и высокочастотный (ВЧ) для частот 4 ч -¿т-С Ю ч . Гранин цг поддиапазонов были выбраны исходя из следующих соображений. Для ВВ с периодом, прэвышаз'дим один тас, значительную роль играет ионное ториояение, обусловленной Бзам.юдействием ионов с магнитньм полем Земли, Нижняя граница высокочастотного диапазона (4 ч-^) определяется периодом БрентатВяйсяля. Однако наблюдаются волны с более короткий периодами, чем период Брента-Вяйсяля, существование которых можно объяснить /

увеличением частоты ВВ, наблюдаемых на неподвижной решетке, за счет фонового термосферного ветра, когда его направление совпадает с направлением фазовой скорости ВВ. Диапазон ВВ с

- 14 -

i *

пьриодами ст I ч до 15 мин бьтл разбит на 2-а поддиапазона'

(НЧ и СЧ). веиду определенных различий пространственных свойств ВВ, попадающих в оти поддиапазоны. Экспериментальные зависимости когерентности от расстояния аппроксимировались эк-спонентой К^Д^Е-1^''^1- Здесь Д0 - расстояние, на котором функция когерентности уменьшается в Е раз.

Измерения в вертикальной плоскости проводились в зимние месяцы 1989-1990 годов вблизи максимума солнечной активности, что позволило подобрать для анализа данные, охватывающие высоты: днем 150-250 км и ночью 250-380 км (§ 3.1). В ОНЧ диа-

-о

пазоне дневная и ночная зависимости К^ДД) значительно отличается. Значения величины когерентности для ночного периода времени велики даже на больших расстояниях (Д S 500 км). Значения когерентности для дня имеют значительно меньшие величины; креме того, велик разброс их значений ото дня ко дна, а Д0 составляет85 км. Причина такого расхоэдения, по нашему мнению, лежит в отличии дневных и ночных гмплитуд ВВ.-Дневные амплитуды малы из-за влияния ионного торможения и, следовательно, мало отношение спектральной плотности ВВ к спектральной плотности стохастических возмущений (шума), что приводит к понижения намеряемой когерентности и ее разбросу ото .дня ко дна. шалое отношение спектральной плотности волновых возмущений к плотности шума в ВЧ диапазоне также является причиной малого радиуса когерентности (Д0— 55 км) и большого разброса~К£р(Д). В этом диапазоне волн, как и для волн в СЧ и ВЧ диапазонах, наблюдается незначительное превышение дневных величин когерентности над ночными. Радиус когерентности s КЧ диапазоне составил ~ 160 км, а в СЧ диапазоне ~100 км. Акали -ируемге К^СД) измерялись в магнктоспокойные и умеренно возмущенные дни. В вертикальной плоскости видимой связи между

К^СД) и магнитной активностью не наблюдается.

В § 3.2. представлены результаты измерений функции когерентности в горизонтальной плоскости. Использовались данные 1С5 сеансов измерений, полученных в зимние сезоны 1936-1588 годов. Среднее расстояние между областями отражения составляло 30,38 и 75 км. Ограниченный набоо расстояний мевду приемыши пунктами не позволил представить зависимости"Н^СД) в Еиде равномерно-(по оси Д) распределенных значений когерентности. Поэтому для каждой пары расстояний рассчитывались средние значенияТ^^Д) и ее среднеквадратичное отклонение. В ОНЧ диапазоне значения когерентности для ночи превышая? дневные и дисперсия значений когерентности днем значительно больше, чем ночья. Сеязь с уровнем магнитной активности здесь не наблюдается. Средний радиус когерентности для дневного времени суток составляет ~ 220 км, а для ночного времени

— 150 км. 3 СЧ и ВЧ диапазонах заметна зависимость величин К^СД) ст уровня'кагнитной активности. При умеренной магнитной активности КдэСД) заметно выше, чем при малой активности; креме того, дневные когерентности превышают ночнв'е. Радиусы когерентности для СЧ диапазона составляют днем при

¡С>16 Д0—155 км, при 2 Д0—60 км и ночью при

2. К^ 16 Д0—80 км, при Д^ 60 та. В ВЧ диапазо-

не радиусы когерентностей составляют днем при ^^>16 Д0

— 85 км, при 2.Кр4.16 Д0— 50 км, ночью при 2^>16 Д0— 35 ка, при Д0—35 км.

В отличие от суточного поведения, зависимость от

магнитной активности носит различный характер в горизоьгаль-ной и вертикальной плоскостях. Для объяснения предложен следующий механизм. Еолновое поле ионосферных возмущений создается многими источниками, расположенной под разными углами

-гена различных расстояниях от места измерения. Увеличение магнитной активности приводит к увеличению вклада полярных источников в интегральное поле ВВ. То обстоятельство, что при этом .не возрастает когерентность в вертикальной плоскости, говорит о многомодовости распространения ВВ, которая приводит к кавущшся большим размерам полярных источников в вертикальной плоскости.

В § 3.3. исследуется однородность поля ВВ в вертикальной плоскости. На термосферных высотах, при совпадении скоростей ветра и волн по величине и направлению, могут возникать критические уровни, Еилизи которых волны разрушаются, что должно существенно менять пространственную когерентность поля ВЗ или иначе нарушать вертикальную однородность поля ВВ. Проверка существования критических уровней на термосферных высотах осуществлялась с помощью многочастотного зондирования так, чтобы была возможность использовать по крайней мере две пары частот с одинакоЕ-чи раь.юстями высот отражения. Если критический уровень находится выше одной из пар частот, то учиты- -вая, что ВГВ распространяются снизу вверх, когерентность этой пары должна быть выше пары над критическим уровнем. Проанализировав значения когерентности для пар, имеющих одинаковую разность высот, делается вывод об однородности поля ЕВ на Еысогах 150-330 км. Отсутствие критических уровней на этих высотах говорит о том, что ВЗ с направлениями, совпадающими с направлением ветра, отфильтровываются на меньших высотах.

Пространственная измерительная решетка позволила изучить поведение когерентности не только в горизонтальной и вертикальной плоскостях, но и наклонную когерентность - когерентность между точками, разнесенными по горизонтали и не лежащими в одной горизонтальной плоскости. Рассчитывались К^?'^")

мевду записями, полученнши в Алма-Ате на различных радиочастотах, и записями сигнала СП-3 в разнесенных пунктах § 3.4. Для згих не' сеансов измерений определялись результирующие скорости движения фаэоЕых фронтов. Сопоставление значений

? ) в различных направлениях с .управлением фазовой скорости ВВ выявило, что значение когерентности является функцией пространственной ориентации. К^^ ? ) принимает минимальное значение в плоскости фазового фронта и максимальное - б направлении фазовой скорости волновых возмущений.

Использование спектрально-когерентного метода при исследовании ионосферных неоднородностей показало, что флуктуации Ьлектроннсго содержания Р области ионосферы обусловлены распространением как еолноеых возмущений, обладающих линейчатьм спектром, так и стохастических возмущений с непрерывки* спектром. Поэтому измеренная пространстЕенная когерентность определяется как пространственными характеристиками,- так и отношением мощностей'-ВВ и шума. .На основании этого в § 3.5 предложен метод расчета функции когерентности чисто волновых возмущений. По этому методу из графиков энергетических спектров и функций когерентности для одной из спектральных линий восковых возмущений находят значение спектральной плотности и взаимную корреляционную функцию результирующих флуктуашй. Для получения значений величин спектральной плотности й когерентности флуктуаций стохастической природы той же частоты осуществляется интерполяция этих параметров с использованием их значений в соседних минимумах спектра и п^С Т 1, леаадих по обе стороны максимума. Найденные величины подставляются з выражение:

Р = О , р 1

где ^ахБ. » м ^Хг. ~ коэффициенты корреляции

чисто ВВ, шума и шума плюс ВВ; отношение мощности

волновых возмущений к мощности шума. После чего определяется Я$12гдля одной из пар записей ( Проделав то Ее самое для нескольких пар записей, полученных на разных частотах зондирования строится зависшость функции когерентности волновых возмущений от расстояния. Значения радиусов когерентности для стохастических флуктуации, суммы ВВ и шума, и чисто ВВ одного из сеансов измерений на частоте 3 ч-^ составили 40,85-и 310 км соответствеьнр. Этот пример показывает, что измеряемый радиус когерентности смеси £В и стохастических флуктуации может значительно отличаться от радиуса когерентности для чисто волнового распространения.

В чегверго?. главе изложены результаты исследования дгт-леровским методом высотной зависимости относительной амплитуды ВВ и частотной зависимости угла наклона фазового фронта волн.

Анализ поведения фазового пути радиосигнала для различных моделей ионосферы с наложенньм возмущением в виде синусоидальной волны, показал, что независимо от модели соотношение мевду флуктуациями фазового пути и относительной амплитудой болнового возмущения определяется наклоном высотного профиля ионизации вблизи облает!! отражения радиосигнала. Получено выражение, связывающее амплитуду флуктуации фаэогого пути дЬср с относительной амплитудой ВВ, которое дало возможность переходить от среднего значения аЬ^ к среднему значению При атом рассчитанные присваива-

лись высоте отражения, соответствующей рабочей частоте радиосигнала. Высота отражения находилась из

профилей,

получаемых из ионограмг, снятых в соответствующие моменты

- 19 - .

времени. Исследуемый диапазон ВВ был разбит на три поадкапаг зона: Т=7-10 мин, 15-25 мин и 30-50 мин. Для выделения ВВ, принадлежащих различима поддиапазонам, использовались цифровые фильтры, настроенные на пики спектральной плотности. Измерения, проведенные в минимуме сол: зчной активности, дали зависимость в дневное время для высот меньше 200 км,

а для высот больше 200 ш зависимости получены в ночное время. Днем виден различий характер cí(h) для различных частотных диапазонов. Низкочастотные компоненты ВВ с Т=30-50 мин обнаруживают рост сН Ю в интервале высот 150-200 км, тогда как для высокочастотных компонент с Т=>7-Ю мин наблюдается падение д { Ь) Для компонент с промежуточными значениями периодов (Т=15-25 мин) амплитуда в данном интервале постоянна. скстрополируя зависимости Ь) к меньшим и большая высотам, можно прийти к заключения, что на высотах ^ 130-150 км амплитуды всех частотных составляющих ВВ принимают одинаковые значения. Ночью на,высотах больше 200 км наблюдается падение амплитуда з НЧ и СЧ диапазонах. Малые значения амплитуд в ночное время высокочастотных составлявших не позволили получить зависимости для этих еысот. Как для низкочастотных, так и для компонент с Т=15-25 мин, в высотном ходе между дневными и ночными результатами наблюдается разрыв, обусловленный, по нашему мнению, увеличением амплитуды БВ з ночное врьмя по сравнение с дневньм. На основе полученных результатов сделан вкдод, что высотная зависимость амплитуды ВВ определяется как ростом амплитуды из-за уменьшения плотности атмосферы, так и влиянием диссипативных процессов. Действие птих конкурирующих факторов приводит к образования максимума амплитуды на некоторой высоте. Низкочастотный составляющие сбкаружява-ют иаксшдаы на высоте ~220 ям с амплитудой 3+6t. Заксздумн

компонент от 15 до 25 мин при амплитуде 0,8+2?, находится ка высоте 180 км. На высоких частотах дневные амплитуды составили 0,2-5-0,5'S на высоте -150 км и 0,1*0,3ь на высоте 200 км. Второй цикл намерений проводился вблизи максимума солнечной активности. Общий характер еьтсотной зависимости не изменился, однако амплитуды ВВ возросли, а максимумы сместились на несколько меньшие высоты. Так, низкочастотные составляющие стал!: иметь максимумы на высоте 200 км, а амплитуды в максимуме возросли до 6+105. Амплитуды высокочастотных составляющих возросли еще больше и достигли на вгсоте 150 км С ростом солнечной активности увеличивается вклад высокочастотных компонент в интегральнш поле ЕВ.

В § 4.2. приводятся результаты измерений в декабре 1965 - апреле IbcG годов фазовых скоростей и углов наклона фазовых фронтов среднемасслабнкх ВВ. Для удобства анализа строились полярные диаграммы величин к направлений скоростей перемещения волнового фронта ВВ. Кавдая точка, нанесенная на диаграмму, представляет результат расчета по данньм одного сеанса наблюдения для частотного интервала, которому соответствует высокая когерентность. Получено, что днем Есе скорости лекат в узком угловом интервале, ориентированном в направлении юго-восток. Дневные максимальные скорости составляют ■^250 м/с. Среднее значение скоростей ^ 125 м/сек. Полярные диаграммы для ночи значительно отличаются от дневных. Ночья наблюдается заметный разброс направлений распространения ВВ. Величины ночных скоростей также обнаруживают большой разброс по сравнению с дневнш, максимальные ночные скорости превышают 600 м/с. Анализ отдельных сеансов измерений показал, что ночные сеансы содержат случаи, при которых большой разброс направлений является результатом разброса направлений различ-

ных частотных составлявших для каждого сеанса измерений, или ~е разброс для одного сеанса невелик, однако направления не сохраняются от ночи :с ночи. Когда отдельные ночи обнаруживает мальй угловой разброс скоростей, прослеживается суточная циклическая изменчивость направлений перемещения волновых трснтов, которая монет бггь объяснена фильтруввкк эффектом системы термосферных ветров. 3 этсм эксперименте определялась вертикальная скорость, что дало возможность вычислить наклон Газовых фронтов и исследовать частотнее зависимости угла меж-:у ^аэогш фронтом и вертикалью Кзомстря на большей раз-

брос значений , наблздг. лк'1С? от сеанса к сеансу, прослеживается осжая тенденция уменьшения состой частоты гогыуаения. Сравнение угла наклона с пределъкп/. углом, который связан с частотой Брента-Еяйсяля и частотой ББ, показало, что частотная зависимость угла наклона фазовых фронтов имеет вид, близкий к зависимости предельного угла наклона. Имеющиеся в литературе сведения о частотной зависимости фазовых скоростей носят противоречивый характер, по.,тему по шечгокся дакньм были построены дисперсионные кривые. Большая часть дневных и ночных сеансов измерений показывает положительную дисперсии фазовых скоростей, т.е. рост скорости с ростом ее частоты-

В § 4.3. приводятся результаты изучения природы гьтсоко-частотной области спектров ЗВ. Типичней спектр представляет собой спадающую в область высс;;и:с частот спектральную платность ; на птсм фоне наблюдается ряд пиков, связанных с ионосферными золновкли возмуаениями. Рассматривая флуктуации зяект-ронной плотности как проявление распространения зкусти..о-гра-зигациоинкх волн в нейтральной атмосфере, падение спектральной плотности можно объяснить, как результат обрезания спектра на локальной частоте Брента-Вяйсяля- Остается невыясненным

вопрос о природе высокочастотных флуктуаций на частотах, превышавших частоту Брента-Вяйсяля (с учетом фонового ветра). В результате одновременных измерений доплеровского сдвига частоты 0- и Х-компонент в ночное и дневное враля суток, привлечения данных, полученных на измерительном треугольнике и используя критерий, позволяющий отличить спектральные составляющие, обусловленные еолновьм распространением, от шумовых составляющих, делается вывод, что флуктуации с периодами, меньшими ™ 6 мин, обусловлены влиянием на фазовый путь радиоволны флуктуаций злектронного содереания .на высотах ^ 100 км.

В заключении Сформулированы .еноЕные результаты диссертации :

1. Разработан, изготовлен и внедрен в экспериментальные исследования защищенный 2-мя авторскими свидетельствами аппаратурный комплекс, реализующий доплеровский метод при многочастотном импульсном зондировании ионосферы.

2. Определен диапазон частот, "запрещенных" для работы доплеровской установки и при сопоставлении с нонограимнш методом показана достоверность полученных данных.

3. Предложен метод расчета функции когерентности чисто волновых возмущений.

4. Получен 10-летний ряд данных по пространственно-временной структуре волновых возмущений при различных гео-гелио-физических условиях.

5. Установлены следующие характеристики пространственной когерентности поля ВВ;

— для волновых возмущений с периодами, превышающими один ■ час, при переходе ото дня к ночи радиус когерентности возрастает как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях; возмущения с меньпкми периодами имеют радиус когерентности в

- 23 -

дневное гремя больше, чем ночью;

— с ростом магнитной активности наблюдается увеличение радиуса когерентности в горизонГальной плоскости для волновых возмущений с периодами 6-30 мин;

— на высотах 150-360 ш поле волновых возмущений однородно, а пространственная когерентность является функцией . пространственной ориентации, приншая максимальное значение в направлении, совпадающем с направлением фазовой скорости волновых возмущений и'минимальное - в плоскости фазового фронта.

6. Показано, что высотный ход относительной амплитуды •волновых воачутаений имеет максимум, причал амплитуда низкочастотных возмущений в период миншума солнечной активности составляет 3-6^ на высотах порядка 200 км; с ростом солнечной активности относительные амплитуда низкочастотных возмущений возрастают в,-.2 раза (до 1СЙ, а высокочастотных - до 10 раз (1-Й)-. ' .

7. Установлено, что угол наклона фазового фронта волновых возмущений уменьшается с ростом частоты волны, а вид соответствующей зависимости близок к теоретической для предельного угла наклона в модели распространения - в атмосфере акус— тико—гравитационных волн.

Основныа результаты диссертации опубликованы в йлёдутаих работах:

I..Литвинов Ю.Г., Салихов Н.М. Автоматизированная система для регистрации доплеровской частоты.— В сб.: I Республиканской конференции па автоматизации научных исследований. . Тезисы докладов. Алма-Ата, 1982. 2. Дробяев В.И., Краснов ВЛ., Литвинов Ю.Г., Пеленкцын Г.М., Салихов Н.М., Хачикян B.C. Волновые возмущения в- ионосфере

- 24 -

средних широт.- Е сб.: 13 Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Тезисы докладов. 4.1, ¡.'1.: Наука,

та г. т г. о ■

о. Литвинов 2.Г., Пеленицык Г.й. Установка для исследования дсплерэЕзкого сдЕкга частоты на базе стандартного ионозон-да ЫИС-5.- В сб.: Ионосфера и солнечно-земные связи. Алма-Ата ,Наука,1565,с.132-134.

4. Красников К.И., Литвинов Ю.Г. Многочастотный доплеровский ионозонд.- В сб.: Волновые возмущения е-ионосфере. Алма-Ата, Наука ,1987 ,с.70-74.

5. Литвинов Ю.Г., Е::овец А.Ф. Об импульсном доплеровском зондировании ионосферы.- В сб.: Волновые возмущения в ионосфере. Алма-Ата, Наука, 19с77, с. 66-70.

6. Калиев М.З., Красников И.М., Литвинов Ю.Г., Черкаиин А.И., Яковец А.3>. "ДЕарктелькьте результаты измерения дисперсии скоростей волновых ионосферных возмущений.- В сб.: Волновые процессы в ионосфере,А.;ма-Ата,Наука, 1987,с. 128-140.

7. Литвинов Ю.Г., Яковец'А.Ф. Измерение частотного диапазона волновой активности в слое Р ионосферы. Геомагнетизм к аэрономия . 1983,т .23,153, с. 486-487.

б.Дросжев В.К., Литвинов Ю.Г., йковеи А.й-.. Сравнение двух методов регистрации ионосферных волновых возмущений. Геомагнетизм и аэрономия,1984,т.22,К.с.138-140.

9. Дробкев В.И., Гордиенкс Г.К., Калиев М.З., Красников К.;!.. Литвинов Ю.Г., Николаевска"; К.С.. Чакенов Б.Д., Яковец А.Ф. Статистические свойства волновых ионосферных возмущений на высотах Р-обдаст1;.//У Всесоюзное совещание по исследованию динамически процессов в верхней атмосфере Земли. Тезисы докл.-Обнинск,1985,с.51.

- 25 - ■

Ю.Дробяев В.И., Калиев'Й1.3., Литвинов О.Г., Николаевский р-Н.Ф., ЯкоЕец А.2. Временные зависимости параметров внутренних гравитационных волн з Р-области ионосферы.//2 семинар КАПГ по метеорологически« аффектам в' ионосфере. Тез.докл.-Болгария,София,1985,с.73-75.

П.Дробнев В.И., Гордиенко Г.И., Каляев М.З., Литвинов Ю.Г., Чакенов Б.Д., Яковец А.Ф. Структура золнсеогс поля внутренних гравитационных волн в Р-области исносферы.//2 семи-кар КАЛГ по метеорологическим эффектам в ионосфере. Тез. дскл.-Болгария,София,1965,с.61-63.

12.Дрсбжев В.И. , Калиез .¿.3., Литвинов "0.Г.. Чакенов Б.Д., Яковец А.5. Решение задачи определения амплитуды флуктуации базового пути радиосигнала вертикального зондирования ионосферы при наличии в ней перемещающихся волновых возмущений.//'Вестник АН КазССР.Алма-Ата,1985,с.5.о.-Деп. л'2994.

13.Калиез „1.3., Красников И.Ж, Литвинов Ю.Г., Чакенов Б.Д., Черкашин А.И., Яковец А.Ф. Исследование параметров поля ионосферных волновых возмущений.//ХУ Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Тез.докл.-Алма-Ата, 1987,с.29.

14.Дробкев В.И., Калиев Д1.3., Гордиенко Г.И., Литвинов Ю.Г., Чакенов Б.Д., Яковец А.Ф. Высотная зависимость амплитуды волновых возмущений ионосферы. Гесмагнетизм и аэрономия, 1966,т.26,4, с.680-682.

То.Дрсбжез В.И., Калиеа »5.3., Литвинов Ю.Г., Чакенов Б.Д., Яковец А.Ф. О пространственной когерентности поля еолно-еых возмущений ионосферы. Геомагнетизм и аэрономия. 1591, т. 31,.''."■З, с. 423-426.

. 15.Каляев ¿Í.3., Красников И.А}., . Литвинов Ю.Г-, Чакенсгв Б.Д., Яковец А.Ф. Временные свойства волновых возмущений ионосферы.//Геомагнетизм и аэрономия.1989,т.29,lio, с.776*781.

• 17.Дробкев Б.И., Каляев Ы.З., Красников И.Ы., Литвинов Ю.Г., Филиппов В.А., ЧакеноЕ.Б.Д., Яковец А.Ф. Фаговые скорости среднемасштабных волновых ионосферных возмущений.//Геомаг нетизм и аэрономия.1988,т»28,К2,с.30&-311.■ ■

18.Ашкалкев Я.&.., Дробкег В.К., Каляев М,3., Литвинов Ю.Г., Чакенов Б. Д., йковец А-Ш. Высотная завжзмгкггь спектральной плотности волновых возмущений.—Тез.докл .Всесоюзного сдапозпуыа "Геофизические аспекты переноса -примесей в в^тасней

IS^anfisEB В .iL, Литвинов Ю-Г., Яковец A.i. ЩространстЕенна* когерентность поля волновых возмущений среднеширотной ионосферы. //Препринт ШАН РК,Алма-Ата, 1992,26 с.

20.A.C. 4566952 (СССР). Доплеровский ионозонд. (Дробжев В.И. Зеленков В.Е., ЯрасноЕ В.М., Литвинов Ю;Г., Яковец А.Ф.). 1989. Опубл.Открытия изобретения, промыш.образцы, тов. знаки,1990,155,с.114.

21.A.C. 1200690 (СССР). Способ измерения дисперсионных параметров ионосферной плазмы. (Литвинов Ю.Г., Яковец k.Q., Зеленков В.Е.). 1985. Опубл.Открытия изобретения, промыш. образцы, тов.знаки,1986,$27,сЛ02.