Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного моделирования
Приведены результаты численного моделирования эффекта амплитудного самовоздействия мощных непрерывных радиоволн в ионосфере, вызванного возмущением температуры и концентрации электронов, для различных частот, мощностей и поляризаций радиоволны. Продемонстрировано, что основной вклад в эффект самовоз...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Радиофизика и радиоастрономия |
|---|---|
| Дата: | 2015 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Радіоастрономічний інститут НАН України
2015
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106378 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного моделирования / Л.Ф. Черногор, Ю.Б. Милованов // Радиофизика и радиоастрономия. — 2015. — Т. 20, № 2. — С. 122-132. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106378 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Черногор, Л.Ф. Милованов, Ю.Б. 2016-09-27T07:49:36Z 2016-09-27T07:49:36Z 2015 Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного моделирования / Л.Ф. Черногор, Ю.Б. Милованов // Радиофизика и радиоастрономия. — 2015. — Т. 20, № 2. — С. 122-132. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1027-9636 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106378 550.388 Приведены результаты численного моделирования эффекта амплитудного самовоздействия мощных непрерывных радиоволн в ионосфере, вызванного возмущением температуры и концентрации электронов, для различных частот, мощностей и поляризаций радиоволны. Продемонстрировано, что основной вклад в эффект самовоздействия дает D-область ионосферы, где имеют место гигантские возмущения температуры электронов. В E- и F-области ионосферы в ночное время возмущение температуры электронов также значительно, а эффект самовоздействия оказывается относительно слабым. Возмущение концентрации электронов на всех высотах дает значительно меньший вклад в эффект амплитудного самовоздействия, чем вклад возмущения температуры электронов. Наведено результати числового моделювання ефекту амплітудного самодіяння потужних безперервних радіохвиль в іоносфері, викликаних збуренням температури та концентрації електронів для різних частот, потужностей і поляризацій радіохвилі. Продемонстровано, що основний внесок до ефекту самодіяння дає D-область іоносфери, де мають місце гігантські збурення температури електронів. В Е- та F-області іоносфери в нічний час збурення температури електронів також значне, а ефект самодіяння виявляється відносно слабким. Збурення концентрації електронів на всіх висотах дає значно менший внесок до ефекту амплітудного самодіяння, ніж внесок збурень температури електронів. Numerical simulations of the self-action of high-power continuous radio waves in the ionosphere caused by disturbances in electron temperature and density havebeen made for various frequencies, powers, and polarizations. It has been demonstrated that a major contribution to the self-action is made by the ionospheric D region where huge disturbances in electron temperature occur. In the E and F regions, the nocturnal electron temperature is also significantly disturbed, butthe self-action is relatively weak. The contribution to the selfaction from the disturbance in electron density at all altitudes is significantly smaller than that from the disturbance in electron temperature. ru Радіоастрономічний інститут НАН України Радиофизика и радиоастрономия Радиофизика геокосмоса Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного моделирования Амплітудне самодіяння потужних безперервних прохідних радіохвиль у іоносфері: результати числового моделювання Amplitude Self-Action of High-Power Continuous Radio Waves in the Ionosphere: Numerical Simulations Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного моделирования |
| spellingShingle |
Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного моделирования Черногор, Л.Ф. Милованов, Ю.Б. Радиофизика геокосмоса |
| title_short |
Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного моделирования |
| title_full |
Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного моделирования |
| title_fullStr |
Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного моделирования |
| title_full_unstemmed |
Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного моделирования |
| title_sort |
амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного моделирования |
| author |
Черногор, Л.Ф. Милованов, Ю.Б. |
| author_facet |
Черногор, Л.Ф. Милованов, Ю.Б. |
| topic |
Радиофизика геокосмоса |
| topic_facet |
Радиофизика геокосмоса |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Радиофизика и радиоастрономия |
| publisher |
Радіоастрономічний інститут НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Амплітудне самодіяння потужних безперервних прохідних радіохвиль у іоносфері: результати числового моделювання Amplitude Self-Action of High-Power Continuous Radio Waves in the Ionosphere: Numerical Simulations |
| description |
Приведены результаты численного моделирования эффекта амплитудного самовоздействия мощных непрерывных радиоволн в ионосфере, вызванного возмущением температуры и концентрации электронов, для различных частот, мощностей и поляризаций радиоволны. Продемонстрировано, что основной вклад в эффект самовоздействия дает D-область ионосферы, где имеют место гигантские возмущения температуры электронов. В E- и F-области ионосферы в ночное время возмущение температуры электронов также значительно, а эффект самовоздействия оказывается относительно слабым. Возмущение концентрации электронов на всех высотах дает значительно меньший вклад в эффект амплитудного самовоздействия, чем вклад возмущения температуры электронов.
Наведено результати числового моделювання ефекту амплітудного самодіяння потужних безперервних радіохвиль в іоносфері, викликаних збуренням температури та концентрації електронів для різних частот, потужностей і поляризацій радіохвилі. Продемонстровано, що основний внесок до ефекту самодіяння дає D-область іоносфери, де мають місце гігантські збурення температури електронів. В Е- та F-області іоносфери в нічний час збурення температури електронів також значне, а ефект самодіяння виявляється відносно слабким. Збурення концентрації електронів на всіх висотах дає значно менший внесок до ефекту амплітудного самодіяння, ніж внесок збурень температури електронів.
Numerical simulations of the self-action of high-power continuous radio waves in the ionosphere caused by disturbances in electron temperature and density havebeen made for various frequencies, powers, and polarizations. It has been demonstrated that a major contribution to the self-action is made by the ionospheric D region where huge disturbances in electron temperature occur. In the E and F regions, the nocturnal electron temperature is also significantly disturbed, butthe self-action is relatively weak. The contribution to the selfaction from the disturbance in electron density at all altitudes is significantly smaller than that from the disturbance in electron temperature.
|
| issn |
1027-9636 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106378 |
| citation_txt |
Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного моделирования / Л.Ф. Черногор, Ю.Б. Милованов // Радиофизика и радиоастрономия. — 2015. — Т. 20, № 2. — С. 122-132. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT černogorlf amplitudnoesamovozdeistviemoŝnyhnepreryvnyhprohodâŝihradiovolnvionosfererezulʹtatyčislennogomodelirovaniâ AT milovanovûb amplitudnoesamovozdeistviemoŝnyhnepreryvnyhprohodâŝihradiovolnvionosfererezulʹtatyčislennogomodelirovaniâ AT černogorlf amplítudnesamodíânnâpotužnihbezperervnihprohídnihradíohvilʹuíonosferírezulʹtatičislovogomodelûvannâ AT milovanovûb amplítudnesamodíânnâpotužnihbezperervnihprohídnihradíohvilʹuíonosferírezulʹtatičislovogomodelûvannâ AT černogorlf amplitudeselfactionofhighpowercontinuousradiowavesintheionospherenumericalsimulations AT milovanovûb amplitudeselfactionofhighpowercontinuousradiowavesintheionospherenumericalsimulations |
| first_indexed |
2025-11-26T15:16:12Z |
| last_indexed |
2025-11-26T15:16:12Z |
| _version_ |
1850626069867003904 |
| fulltext |
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015122
Радиофизика и радиоастрономия. 2015, Т. 20, № 2, c. 122–132
© Л. Ф. Черногор, Ю. Б. Милованов, 2015
Л. Ф. ЧЕРНОГОР, Ю. Б. МИЛОВАНОВ
Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина,
пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61022, Украина
E-mail:Leonid.F.Chernogor@univer.kharkov.ua
ÀÌÏËÈÒÓÄÍÎÅ ÑÀÌÎÂÎÇÄÅÉÑÒÂÈÅ ÌÎÙÍÛÕ ÍÅÏÐÅÐÛÂÍÛÕ
ÏÐÎÕÎÄßÙÈÕ ÐÀÄÈÎÂÎËÍ Â ÈÎÍÎÑÔÅÐÅ:
ÐÅÇÓËÜÒÀÒÛ ×ÈÑËÅÍÍÎÃÎ ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈß
Приведены результаты численного моделирования эффекта амплитудного самовоздействия мощных непрерывных
радиоволн в ионосфере, вызванного возмущением температуры и концентрации электронов, для различных частот,
мощностей и поляризаций радиоволны. Продемонстрировано, что основной вклад в эффект самовоздействия дает
D-область ионосферы, где имеют место гигантские возмущения температуры электронов. В E- и F-области ионо-
сферы в ночное время возмущение температуры электронов также значительно, а эффект самовоздействия оказы-
вается относительно слабым. Возмущение концентрации электронов на всех высотах дает значительно меньший
вклад в эффект амплитудного самовоздействия, чем вклад возмущения температуры электронов.
Ключевые слова: ионосфера, мощное радиоизлучение, численное моделирование, амплитудное самовоздействие
УДК 550.388
1. Ââåäåíèå
При распространении мощных радиоволн в ионос-
фере происходит нагрев электронного газа. Из-за
температурной зависимости коэффициента прили-
пания электронов к нейтральным частицам
(к молекулам) и коэффициента рекомбинации элек-
тронов с ионами возникает возмущение концент-
рации электронов N [1–3]. Возмущения темпера-
туры электронов eT и концентрации N оказываютт
обратное влияние на распространение радиовол-
ны, вызвавшей возмущения. В этом состоит суть
эффекта самовоздействия радиоволны. В процес-
се самовоздействия изменяются все характерис-
тики радиоволны: амплитуда, фаза, частота, по-
ляризация и др. [1–3]. Для практики наибольшее
значение имеет амплитудное самовоздействие,
определяющее степень возмущения ионосферной
плазмы мощным радиоизлучением.
В работе [4] приведены результаты моделиро-
вания возмущений eT и N с учетом амплитудногоо
самовоздействия. Показано, что существующие
нагревные стенды способны вызывать гигантс-
кие (в десятки раз) возмущения ,eT а также зна-
чительные увеличения N. Детальные расчеты
эффекта амплитудного самовоздействия, сопро-
вождаемого гигантскими возмущениями, в лите-
ратуре отсутствуют.
Целью настоящей работы является численное
моделирование эффекта амплитудного самовоз-
действия мощных непрерывных проходящих ра-
диоволн различных частот, мощностей и поляри-
заций, вызванного возмущением температуры,
частоты соударений и концентрации электронов
в ионосфере.
2. Èñõîäíûå óðàâíåíèÿ
2.1. Óðàâíåíèå áàëàíñà ýíåðãèè ýëåêòðîíîâ
Уравнение баланса энергии (температуры) элек-
тронов может быть записано в виде [1–3]:
0( )e
e e
T
T T
t
2
2 0
0 0 0 0 02
00
,e
e T e
ep
TE
T L T
TE
(1)
2 2
0
2 2
,
где ( )eT – средняя относительная доля энергии,
теряемая электроном при соударении с тяжелой
частицей (молекулой, ионом); ( )eT – частотаа
соударений электронов; Е – напряженность элек-
трического поля на заданной высоте; 0pE – плаз-
менное поле для волн обыкновенной (+) и не-
обыкновенной (–) поляризаций соответственно;
eT – температура электронов; 2 1
0 0 0 0( ) ,T eL
0e – коэффициент температуропроводности; ин-
декс “0” здесь и далее означает невозмущенные
условия. Выражение для плазменного поля в маг-
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015 123
Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного...
нитоактивной плазме при продольном по отноше-
нию к вектору индукции магнитного поля распро-
странении радиоволн имеет вид
2 2
0 0 02
0 2
3
,
B e
p
k T m
E
e
где Bk – постоянная Больцмана; m и e – массаа
и заряд электрона; ,B 2 f – круго-
вая частота радиоволны, 2B Bf – гирочас-
тота электронов. При квазипродольном распрос-
транении радиоволны B следует заменить на
“продольную составляющую” .B
Второй член в левой части уравнения (1) опи-
сывает потерю энергии электронами за счет ее
передачи тяжелым частицам, второй член в пра-
вой части уравнения – потерю энергии за счет
теплопроводности электронного газа. Теплопро-
водностью электронного газа можно пренебре-
гать на высотах 250z км [3].
Уравнение баланса энергии электронов без
учета процесса теплопроводности удобно запи-
сать для безразмерной температуры электронов
0e eT T [3, 4]:
0
d
( ) ( )( 1) ( ) ( ) ( ),
d
t
t
(2)
где 2 2
0 .pE E На высотах 200z км, где пре-
обладают соударения электронов с молекулами,
согласно [1, 2]
5 6
0 .en (3)
На высотах 200 250z км
3 2
0 .ei
На этих же высотах 4
0( ) 10 . При
200z км зависимость ( ), исходя из резуль-
татов работы [2], можно аппроксимировать сле-
дующим соотношением [3, 4]:
4 3 ( 45) 5
0( ) 0.014 2 . (4)
Данная зависимость, строго говоря, справед-
лива до значений 60. Будем считать, что она
удовлетворительно описывает зависимость ( )
и при 60 100.
При продолжительности воздействия 0Tt
1
0 0( ) соотношение (2) с учетом (4) принимает
вид стационарного уравнения:
4 3 ( 45) 50.014 2 ( 1) ( ).
(5)
2.2. Óðàâíåíèå áàëàíñà
êîíöåíòðàöèè ýëåêòðîíîâ
Уравнение баланса концентрации электронов
имеет вид [4]:
d
( ),
d
e r e
N
q NN N N N
t
где eq – скорость образования электронов, r –
коэффициент рекомбинации электронов с поло-
жительными ионами, N – концентрация по-
ложительных ионов, – коэффициент прилипа-
ния электронов, e – коэффициент отлипания элек-
тронов. Роль процессов прилипания и отлипания
электронов в балансе концентрации электронов
невелика [3, 4]. Далее этими процессами будем
пренебрегать, т. е. считать, что 0, 0,e а
.N N Тогда
2d
.
d
e r
N
q N
t
(6)
Стационарное уравнение для N имеет вид:
2.e rq N (7)
До включения мощного радиоизлучения значе-
ние 0N дается соотношением, аналогичным (7),
2 2
0 0 0 0( ) .e r e rq T N N (8)
Тогда из (7) и (8) при зависимости ( ),eT при-
веденной в [5],
0.5
0
0 ,e
r e r
e
T
T
T
следует, что
1 4
1 4
0 0
.e
e
TN
N T
(9)
Добавим, что возмущение N необходимо учи-
тывать при длительности импульса электро-
магнитного поля 1 1
0 0,( ) .r N Важно, что
11 1
0 0 0 0 0,( ) .r TN t
Поэтому в ионо-
сфере может реализовываться ситуация, ког-
124 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015
Л. Ф. Черногор, Ю. Б. Милованов
да температура электронов достигает своего
стационарного состояния, т. е. 1
0 0( ) , а
0 ,N N поскольку 1 1
0 0,( ) .r N
Заметим, что в работе [4] в уравнении для (в
настоящей работе соотношение (2)) потерян мно-
житель , из-за чего значения 0e eT T и 0N N
завышены примерно на 10 100 и 3 20 % соот-
ветственно (меньшее значение относится к волне
О-поляризации, а большее – к волне Х-поляриза-
ции в дневное время).
2.3. Óðàâíåíèå äëÿ àìïëèòóäû
ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ
Для учета самовоздействия радиоволны уравнения
(1) и (6) или (5) и (9) необходимо решать совместно
с волновым уравнением или его геометрооптичес-
ким приближением, которое имеет вид [6]:
( , ) 0,
4
g
E E E E
z E E
t z z z c
v (10)
где
gv – групповая скорость волнового пакета,
– относительная диэлектрическая проницаемость,
– показатель поглощения радиоволны. Вдали
от области отражения радиоволны 1 и .g cv
Тогда уравнение (10) сводится к следующему:
1
( , ) 0.
E E E
z E E
c t z z c
(11)
В стационарном случае 0
E
t
из (11) полу-
чаем
d
( , ) 0.
d
E E
z E E
z z c
(12)
Второй член в левой части уравнения (12)
описывает сферическую расходимость волны.
Соотношение (12) может быть переписано в виде:
d
( ) ( , )( ) 0.
d
Ez z E Ez
z c
(13)
В выражениях (10)–(13) показатель поглоще-
ния радиоволны
2
2 2
,
2 ( )
p
(14)
где p – плазменная частота электронов, зави-
сящая от их концентрации N.
Кроме , вводится также интегральный коэф-
фициент поглощения
0
( )d .
z
K z z
c
Для моделирования эффекта самовоздействия
необходимы невозмущенные профили концентра-
ции электронов, температуры электронов и час-
тоты соударений для дневного и ночного времени
суток. В настоящей работе используются профи-
ли, приведенные в работе [4].
3. Ðåçóëüòàòû ÷èñëåííûõ ðàñ÷åòîâ
Для количественной характеристики эффекта ам-
плитудного самовоздействия вводится множитель
самовоздействия [1–3]:
0
0
exp( ),s
E
F K K
E
где индекс “0” относится к невозмущенным
условиям (к линейной теории распространения
радиоволн). Различают эффект самопросветления
среды ( 1)sF и самопомутнения среды ( 1)sF
под действием мощной радиоволны.
3.1. Âëèÿíèå óâåëè÷åíèÿ òåìïåðàòóðû
ýëåêòðîíîâ íà ñàìîâîçäåéñòâèå ðàäèîâîëí
Высотные профили множителя самоводейст-
вия для обыкновенной (О) и необыкновенной
(X) поляризаций радиоволны sF показаны на
рис. 1 – 5. Из рисунков видно, что при возмущении
eT для всех значений эффективной мощности PG
и рабочей частоты f нагревного стенда в дневное
время на высотах 75 80z км имеет место эф-
фект просветления плазмы, при котором 1.sF
На бóльших высотах ожидается эффект помутне-
ния плазмы, 1.sF Оба эффекта сильнее выраже-
ны для волн с Х-поляризацией. С увеличением час-
тоты величина эффектов самопросветления
и самопомутнения плазмы убывает.
Эффекты сильнее проявляются в дневное
время. Например, при 0,N N 300PG МВт и
4.3f МГц имеем max 1.01,sF max 1.08,sF а
min 0.59,sF min 0.36sF (см. рис. 1, а). При
6f МГц эти же параметры составляют 1.00,
1.02, 0.74 и 0.49 соответственно (см. рис. 2, а).
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015 125
Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного...
В дневное время при 0,N N 400PG МВт,,
2.8f МГц имеем max 1.03,sF max 1.46,sF а
min 0.41sF и min 0.33sF (см. рис. 3, а). Если
3.6PG ГВт, 6f МГц, то эти параметрыры
близки к 1.01, 1.06, 0.33 и 0.19 (см. рис. 4, а).
При 1PG ГВт, 1.4Bf f МГц имеет ме-
сто гирорезонанс для волн с Х-поляризацией.
При этом и в дневное, и в ночное время max 1sF
в диапазоне высот 70 80 км (см. рис. 5, а).
На высотах 70 75 и 85 90 км в дневное и
ночное время соответственно Х-волна практичес-
ки полностью поглощается. Для О-волн в днев-
ное время max 1.16,sF min 0.21.sF В ночное
время max 1,sF min 0.79sF (см. рис. 5, а).
3.2. Âëèÿíèå óâåëè÷åíèÿ êîíöåíòðàöèè
ýëåêòðîíîâ íà ñàìîâîçäåéñòâèå ðàäèîâîëí
Результаты расчета множителя амплитудно-
го самовоздействия при учете возмущений как
,eT так и N приведены на рис. 1, б – 5, б.
Как и следовало ожидать, эффект самовоз-
действия сильнее выражен в дневное время при
всех значениях f и PG. В нижней части D-об-
ласти ионосферы в дневное время имеет мес-
то эффект cамопросветления плазмы ( 1),sF
а в верхней части D-области, а также в E- и
F-области – эффект самопомутнения плазмы
( 1).sF Оба эффекта, как правило, сильнее
выражены в дневное время и для Х-поляризован-
ной радиоволны.
При 300PG МВт днем max 1.03sF и 1.01,
max 1sF и 1, min 0.29sF и 0.42, min 0.52sF и
0.67 при рабочей частоте стенда 4.3 и 6 МГц
соответственно (см. рис. 1, б, рис. 2, б). В ночное
время при этих же частотах max 1sF и 1,
max 1sF и 1, min 0.75sF и 0.93, min 0.96sF
и 0.98 соответственно.
При 0.4PG ГВт и 2.8f МГц в днев-
ное время хорошо выражен эффект самопрос-
ветления плазмы: max 1.01,sF max 1.24sF
(см. рис. 3, б). На высотах 75 80z км эффект
Рис. 1. Высотные профили множителя самовоздействия
при возмущении eT (а), а также eT и N (б): 1 – О-волна,
день; 2 – Х-волна, день; 3 – О-волна, ночь; 4 – Х-волна, ночь.
Параметры нагревного стенда: 300PG МВт, 4.3f МГц
Рис. 2. Высотные профили множителя самовоздействия
при возмущении eT (а), а также eT и N (б): 1 – О-волна,
день; 2 – Х-волна, день; 3 – О-волна, ночь; 4 – Х-волна, ночь.
Параметры нагревного стенда: 300PG МВт, 6f МГц
126 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015
Л. Ф. Черногор, Ю. Б. Милованов
самопросветления сменяется эффектом самопо-
мутнения плазмы. В дневное время min 0.36,sF
min 0.24.sF В ночное время min 0.88,sF
min 0.28.sF
При увеличении f до 6 МГц, а PG до 3.6 ГВт
в дневное время max 1,sF max 1.03,sF т. е.
имеет место эффект самопросветления плазмы
(см. рис. 4, б). На высотах 70z км 1,sF
причем min 0.25,sF min 0.15.sF В ночное вре-
мя min 0.94,sF min 0.77.sF
На гирочастоте электронов при 1PG ГВт
в дневное время max 1.07,sF max 1,sF а
min 0.18,sF min 0sF (при 85 90z км)
(рис. 5, б). В ночное время для О-поляризован-
ной волны эффект самопросветления плазмы не
возникает, min 0.60.sF Для Х-поляризованной
волны, напротив, эффект самопросветления плаз-
мы очень сильно выражен в диапазоне высот
80 90 км, здесь max 1,sF а при 90z км
min 0sF (волна сильно поглощается).
3.3. Çàâèñèìîñòü ýôôåêòà ñàìîâîçäåéñòâèÿ
îò ÷àñòîòû ðàäèîâîëíû
Представляет интерес изучение зависимости вели-
чины эффекта амплитудного самовоздействия
от частоты радиоволны на фиксированных высотах
при неизменном значении эффективной мощности
стенда. Результаты расчетов частотной зависи-
мости множителя самовоздействия для различных
значений эффективной мощности приведены на
рис. 6 – 8. Оказывается, что на высотах меньших
60 км эффект амплитудного самовоздействия вы-
ражен слабо. В диапазоне высот 60 70 км в днев-
ное время для частот 1.4 6 МГц имеет место
эффект самопросветления плазмы, выше – эф-
фект самопомутнения плазмы (для 2.5f МГц).
Интересно, что в дневное время 1sF на всех вы-
сотах при 1.4 2f МГц. В ночное время для
волны О-поляризации эффект самопросветления
плазмы должен возникать для радиоволн частотой
1.4 2 МГц также в диапазоне высот 80z км.
Рис. 3. Высотные профили множителя самовоздействия
при возмущении eT (а), а также eT и N (б): 1 – О-волна,
день; 2 – Х-волна, день; 3 – О-волна, ночь; 4 – Х-волна, ночь.
Параметры нагревного стенда: 400PG МВт, 2.8f МГц
Рис. 4. Высотные профили множителя самовоздействия
при возмущении eT (а), а также eT и N (б): 1 – О-волна,
день; 2 – Х-волна, день; 3 – О-волна, ночь; 4 – Х-волна, ночь.
Параметры нагревного стенда: 3.6PG ГВт, 6f МГц
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015 127
Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного...
На высотах больших 80 км sF монотонно уве-
личивается на 0.1 0.3 и 0.2 0.4 при увеличе-
нии частоты от 1.4 до 6 МГц в ночное и дневное
время соответственно (см. рис. 6 – 8). Частот-
ная зависимость sF на этих же высотах не яв-
ляется монотонной. В ночное время вблизи час-
тоты гирорезонанса 1,sF при 1.6f МГц
множитель самовоздействия sF достигает ми-
нимальных значений, равных 0.05 и 0.01 для
0.3PG ГВт и 3.6PG ГВт соответственно.
При дальнейшем увеличении частоты радиовол-
ны от 1.6 до 6 МГц sF постепенно увеличивает-
ся от 0.01 0.05 до 0.9 1. В дневное время при
2.2 2.3f МГц значения 1,sF при увеличе-
нии частоты до 3.5 4 МГц значения sF умень-
шаются до минимальных, равных 0.25 и 0.12
для эффективной мощности 0.3 и 3.6 ГВт соот-
ветственно. При дальнейшем увеличении часто-
ты sF увеличивается до 0.5 и 0.2 при PG, равной
0.3 и 3.6 ГВт соответственно.
Интересно, что при 2.5f МГц и PG
0.3 ГВт в дневное время 0.3.s sF F Такоее
же значение принимает и sF в ночное время.
При увеличении эффективной мощности до
3.6 ГВт вблизи частоты 2.6 МГц в дневное вре-
мя 0.15 0.20.s sF F К этому же значению
приближается sF и в ночное время.
Добавим, что увеличение эффективной мощ-
ности на порядок за счет эффекта самопомутне-
ния среды приводит к уменьшению sF на
0.10 0.15 и 0.30 0.40 в ночное и дневное вре-
мя соответственно.
4. Îáñóæäåíèå
4.1. Âûñîòíàÿ çàâèñèìîñòü
Обсудим сначала высотную зависимость мно-
жителя амплитудного самовоздействия .sF
Для нижней части D-области ионосферы (на вы-
сотах 70 75z км) за счет нагрева электронов
и увеличения частоты соударений электронов
с нейтралами на порядок и более имеет место
неравенство 2 2. При этом, как следует
из соотношения (14), показатель поглощения ра-
диоволны
2
( )
~ ,
2 ( )
p N
т. е. резко уменьшается при увеличении ( )
(см. соотношение (3)). В результате 0 , ина-
че говоря, возникает эффект самопросветления
плазмы. Рост концентрации электронов при их на-
греве приводит к некоторому уменьшению разно-
сти 0, а значит, и 0K K и уменьшению ве-е-
личины эффекта самопросветления плазмы. Если
при 0N N имеем 5 6, то при 1 4
0N N
имеем 7 12. В обоих случаях 0( ) , что
и приводит к эффекту самопросветления плазмы,
поскольку при этом 0,K K а 1.sF
При увеличении частоты радиоволны разность
0 постепенно уменьшается, а вместе с ней
уменьшается величина эффекта самопросветле-
ния плазмы.
На высотах больших 70 75 км справедливо
неравенство 2 2. При этом
2
2
.
2
p
Рис. 5. Высотные профили множителя самовоздействия
при возмущении eT (а), а также eT и N (б): 1 – О-волна,
день; 2 – Х-волна, день; 3 – О-волна, ночь; 4 – Х-волна, ночь.
Параметры нагревного стенда: 1PG ГВт, 1.4f МГц
128 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015
Л. Ф. Черногор, Ю. Б. Милованов
Рис. 6. Частотная зависимость множителя самовоздействия при возмущении eT (а), а также eT и N (б):
1 – О-волна, день; 2 – Х-волна, день; 3 – О-волна, ночь; 4 – Х-волна, ночь. Эффективная мощность нагревного
стенда: 300PG МВт
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015 129
Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного...
Рис. 7. Частотная зависимость множителя самовоздействия при возмущении eT (а), а также eT и N (б)
1 – О-волна, день; 2 – Х-волна, день; 3 – О-волна, ночь; 4 – Х-волна, ночь. Эффективная мощность нагревного
стенда: 1PG ГВт
130 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015
Л. Ф. Черногор, Ю. Б. Милованов
Рис. 8. Частотная зависимость множителя самовоздействия при возмущении eT (а), а также eT и N (б)
1 – О-волна, день; 2 – Х-волна, день; 3 – О-волна, ночь; 4 – Х-волна, ночь. Эффективная мощность нагревного
стенда: 3.6PG ГВт
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015 131
Амплитудное самовоздействие мощных непрерывных проходящих радиоволн в ионосфере: результаты численного...
При 0N N имеет место зависимость
5 6~ ~ , а при 1 4
0N N – зависимость
13 12~ ~ .N Тогда 0 и при 0K K воз-оз-
никает эффект самопомутнения плазмы.
На высотах Е- и F-области возмущения eT и N
относительно невелики, поэтому ( ) прибли-
жается к 0 и sF постепенно приближается
к своему минимальному значению, определяемо-
му вкладом нижележащих слоев и зависящему
от частоты радиоволны, а также эффективной
мощности.
4.2. ×àñòîòíàÿ çàâèñèìîñòü
На частотную зависимость множителя амплитуд-
ного самовоздействия существенно влияет поля-
ризация радиоволны.
Для волны Х-поляризации с частотой, близкой
к гирочастоте электронов, сильно выражен эф-
фект самопросветления плазмы. В ночное время
на высоте около 90 км он резко сменяется эф-
фектом самопомутнения плазмы, в результате
чего радиоволна практически полностью погло-
щается тонким слоем ионосферы. Толщина этого
слоя не превосходит 10 км. При небольшом (по-
рядка 0.1 МГц) удалении частоты радиоволны
от гирочастоты электронов имеет место эффект
самопомутнения плазмы, при этом 1.sF При
дальнейшем увеличении частоты из-за уменьше-
ния поглощения радиоволны значения sF посте-
пенно увеличиваются, в пределе, при ,f при-
ближаясь к единице.
В дневное время для волны Х-поляризации
эффект самопросветления плазмы имеет место
вплоть до частот 2 3 МГц. При увеличении
частоты sF сначала уменьшается до минималь-
ных значений 0.23 и 0.39 при эффективной мощ-
ности 0.3 и 3.6 ГВт соответственно на частоте
радиоволны 3 4 МГц. Дальнейшее увеличение
частоты вследствие уменьшения показателя
поглощения радиоволны приводит к тому, что sF
постепенно увеличивается, приближаясь к значе-
ниям 0.2 и 0.4 при эффективной мощности 3.6
и 0.3 ГВт соответственно.
Для волны О-поляризации в дневное время на
высотах 60 65z км при частоте меньшей
примерно 2 МГц множитель самовоздействия
1,sF а при увеличении частоты sF становит-
ся меньше единицы, достигает минимального
значения. На высотах 80z км при увеличении
f значение sF постепенно увеличивается из-за
уменьшения показателя поглощения волны.
В ночное время при увеличении f значение sF
монотонно увеличивается примерно от 0.75 и
0.50 практически до 1.0 и 0.9 для PG, равной
0.3 и 3.6 ГВт соответственно.
Немонотонность зависимости ( )sF f объяс-
няется, с одной стороны, конкуренцией процес-
сов самопросветления и самопомутнения плаз-
мы (при 3.5 4f МГц), а с другой стороны,
уменьшением эффективности взаимодействия ра-
диоволны с плазмой и уменьшением возмущения
плазмы при дальнейшем увеличении частоты
радиоволны.
5. Âûâîäû
1. Эффектом амплитудного самовоздейст-
вия вблизи нижней границы ионосферы, т. е.
на высотах меньше примерно 60 км, можно пре-
небречь.
2. В диапазоне высот 65 90 км ярко выражен
эффект самопросветления плазмы. Величина эф-
фекта увеличивается для волны Х-поляризации
при приближении ее частоты к гирочастоте элек-
тронов. При этом 1sF на высотах около 75
и 90 км для дневного и ночного времени соот-
ветственно.
3. На высотах больших 70 90 км эффект са-
мопросветления постепенно сменяется эффектом
самопомутнения. Минимальные значения sF
в зависимости от значения эффективной мощно-
сти достигают 0.24 0.33 и 0.28 0.77 для днев-
ного и ночного времени соответственно.
4. Частотная зависимость sF на всех высо-
тах для дневного и ночного времени суток яв-
ляется монотонной: при увеличении частоты
значение sF постепенно увеличивается, прибли-
жаясь к единице.
5. Частотная зависимость sF для дневного
и ночного времени является немонотонной:
при увеличении частоты от 1.4 МГц sF сначала
убывает, достигает минимального значения при
частоте 3.5 4 МГц, а затем увеличивается,
стремясь к предельным значениям, равным 0.8
и 0.9 в ночное время или 0.15 и 0.4 в дневное
время при эффективной мощности 3.6 и 0.3 ГВт
соответственно.
132 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015
Л. Ф. Черногор, Ю. Б. Милованов
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
01. Гуревич А. В., Шварцбург А. Б. Нелинейная теория
распространения радиоволн в ионосфере. – М.: Наука,
1973. – 272 с.
02. Gurevich A. V. Nonlinear Phenomena in the Ionosphere. –
New York, Heildelberg, Berlin: Springer–Verlag, 1978. – 465 p.
03. Черногор Л. Ф. Физика мощного радиоизлучения в гео-
космосе: монография. – Харьков: ХНУ имени В. Н. Ка-
разина, 2014. – 544 с.
04. Черногор Л. Ф., Милованов Ю. Б. Возмущение ионосфе-
ры мощным непрерывным проходящим радиоизлуче-
нием: результаты численного моделирования // Радиофи-
зика и радиоастрономия. – 2015. – Т. 20, № 1. – С. 48–63.
05. Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. В. Физика ионосферы. –
М.: Наука, 1988. – 528 с.
06. Гуревич А. В., Шлюгер И. С. Исследование нелинейных
явлений при распространении мощного радиоимпульса
в нижних слоях ионосферы // Изв. вузов. Радиофизика. –
1975. – Т. 43, № 9. – С. 1237–1260.
Л. Ф. Чорногор, Ю. Б. Милованов
Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна,
м. Свободи, 4, м. Харків, 61022, Україна
АМПЛІТУДНЕ САМОДІЯННЯ ПОТУЖНИХ
БЕЗПЕРЕРВНИХ ПРОХІДНИХ РАДІОХВИЛЬ
У ІОНОСФЕРІ: РЕЗУЛЬТАТИ
ЧИСЛОВОГО МОДЕЛЮВАННЯ
Наведено результати числового моделювання ефекту амп-
літудного самодіяння потужних безперервних радіохвиль
в іоносфері, викликаних збуренням температури та кон-
центрації електронів для різних частот, потужностей і по-
ляризацій радіохвилі. Продемонстровано, що основний
внесок до ефекту самодіяння дає D-область іоносфери, де
мають місце гігантські збурення температури електронів.
В Е- та F-області іоносфери в нічний час збурення темпера-
тури електронів також значне, а ефект самодіяння виявляєть-
ся відносно слабким. Збурення концентрації електронів на
всіх висотах дає значно менший внесок до ефекту амплітуд-
ного самодіяння, ніж внесок збурень температури електронів.
L. F. Chernogor and Y. B. Milovanov
V. Kazarin National University of Kharkiv,
4, Svoboda Sq., Kharkiv, 61022, Ukraine
AMPLITUDE SELF-ACTION
OF HIGH-POWER CONTINUOUS RADIO WAVES
IN THE IONOSPHERE: NUMERICAL SIMULATIONS
Numerical simulations of the self-action of high-power conti-
nuous radio waves in the ionosphere caused by disturbances in
electron temperature and density havebeen made for various
frequencies, powers, and polarizations. It has been demon-
strated that a major contribution to the self-action is made
by the ionospheric D region where huge disturbances in elec-
tron temperature occur. In the E and F regions, the nocturnal
electron temperature is also significantly disturbed, butthe
self-action is relatively weak. The contribution to the self-
action from the disturbance in electron density at all altitudes
is significantly smaller than that from the disturbance in elec-
tron temperature.
Статья поступила в редакцию 28.01.2015
|