О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере

Предложено возможное объяснение “эффекта саморассеяния”, который был обнаружен в экспериментах по наблюдению излучения нагревного стенда EISCAT в трех сильно разнесенных в пространстве пунктах и заключался в синхронных вариациях уровней и доплеровских смещений частоты (ДСЧ) сигналов на всех приемных...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Радиофизика и радиоастрономия
Дата:	2012
Автори:	Галушко, В.Г., Безродный, В.Г., Колосков, А.В., Зализовский, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2012
Теми:	Радиофизика геокосмоса
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99802
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:	О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере / В.Г. Галушко, В.Г. Безродный, А.В. Колосков, А.В. Зализовский // Радиофизика и радиоастрономия. — 2012. — Т. 17, № 2. — С. 112-124. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859861425060577280
author	Галушко, В.Г. Безродный, В.Г. Колосков, А.В. Зализовский, А.В.
author_facet	Галушко, В.Г. Безродный, В.Г. Колосков, А.В. Зализовский, А.В.
citation_txt	О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере / В.Г. Галушко, В.Г. Безродный, А.В. Колосков, А.В. Зализовский // Радиофизика и радиоастрономия. — 2012. — Т. 17, № 2. — С. 112-124. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Радиофизика и радиоастрономия
description	Предложено возможное объяснение “эффекта саморассеяния”, который был обнаружен в экспериментах по наблюдению излучения нагревного стенда EISCAT в трех сильно разнесенных в пространстве пунктах и заключался в синхронных вариациях уровней и доплеровских смещений частоты (ДСЧ) сигналов на всех приемных позициях. В частности, проведено численное моделирование с использованием данных радара некогерентного рассеяния EISCAT и показано, что девиации фазового пути на восходящем участке траектории распространения волны накачки могли играть определяющую роль в возникновении синхронных вариаций ДСЧ саморассеянных сигналов, наблюдавшихся в эксперименте. Кроме того, рассчитаны характеристики рассеяния ВЧ полей в ракурсном направлении с учетом регулярной рефракции в ионосфере и рассмотрено условие запитки межслоевого ионосферного волновода в заданном направлении ракурсно-рассеянными сигналами. Расчеты выполнены методом геометрической оптики в борновском приближении для анизотропной степенной модели спектра случайных неоднородностей верхней ионосферы. Показано, что рассмотренный механизм обеспечивает практически одинаковые характеристики рассеяния сигналов в направлении всех трех приемных пунктов. Запропоновано можливе пояснення “ефекту саморозсіювання”, що був виявлений в експериментах зі спостереження за випромінюванням нагрівного стенда EІSCAT у трьох сильно рознесених у просторі пунктах і полягав у синхронних варіаціях рівнів та допплерівських зсувів частоти (ДЗЧ) сигналів на всіх приймальних позиціях. Зокрема, виконано чисельне моделювання з використанням даних радара некогерентного розсіювання EІSCAT та показано, що девіації фазового шляху на висхідній ділянці траєкторії поширення хвилі накачки могли відігравати визначальну роль у виникненні синхронних варіацій ДЗЧ саморозсіяних сигналів, що спостерігалися в експерименті. Крім того, розраховано характеристики розсіювання ВЧ полів у ракурсному напрямку з урахуванням регулярної рефракції в іоносфері та розглянуто умови збудження міжшарового іоносферного хвилеводу в заданому напрямку ракурсно-розсіяними сигналами. Розрахунки виконано методом геометричної оптики у борнівському наближенні для анізотропної степеневої моделі спектру випадкових неоднорідностей верхньої іоносфери. Показано, що розглянутий механізм забезпечує практично однакові характеристики розсіювання сигналів у напрямку всіх трьох приймальних пунктів. The paper suggests a possible explanation to the “self-scattering effect” which has been revealed in the experiments on monitoring the EISCAT heater emissions at three greatly dispersed sites and consisted in synchronous variations in the signal amplitudes and Doppler frequency shifts as observed at all the receiving positions. In particular, numerical simulations have been performed with the use of data from the EISCAT incoherent scatter radar which results show that phase path deviations at the upgoing segment of the pump wave trajectory might play the determinative role in producing synchronous variations in the Doppler frequency shifts of the self-scattered signals observed in the experiments. In addition, the characteristics of HF fields scattered in aspect-sensitive directions are determined with allowance for the regular refraction effects in the ionosphere, and a condition for excitation of the ionospheric interlayer duct channel by HF signals aspect-sensitive scattered in a given direction is analyzed. The geometrical optics calculations are made within the Born approximation for an anisotropic power-law model spectrum of random irregularities of the upper ionosphere. It is shown that the suggested mechanism could provide practically identical HF signal scattering characteristics toward all the three receiving sites.
first_indexed	2025-12-07T15:45:44Z
format	Article
fulltext	ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 2, 2012112 Радиофизика и радиоастрономия. 2012, Т. 17, № 2, c. 112–124 ÐÀÄÈÎÔÈÇÈÊÀ ÃÅÎÊÎÑÌÎÑÀ В. Г. ГАЛУШКО, В. Г. БЕЗРОДНЫЙ, А. В. КОЛОСКОВ, А. В. ЗАЛИЗОВСКИЙ Радиоастрономический институт НАН Украины, ул. Краснознаменная, 4, г. Харьков, 61002, Украина E-mail: galushko@rian.kharkov.ua Î ÂÎÇÌÎÆÍÎÌ ÌÅÕÀÍÈÇÌÅ “ÝÔÔÅÊÒÀ ÑÀÌÎÐÀÑÑÅßÍÈß” ÌÎÙÍÛÕ Â× ÑÈÃÍÀËÎÂ Â ÈÎÍÎÑÔÅÐÅ Предложено возможное объяснение “эффекта саморассеяния”, который был обнаружен в экспериментах по наблю- дению излучения нагревного стенда EISCAT в трех сильно разнесенных в пространстве пунктах и заключал- ся в синхронных вариациях уровней и доплеровских смещений частоты (ДСЧ) сигналов на всех приемных позициях. В частности, проведено численное моделирование с использованием данных радара некогерентного рассеяния EISCAT и показано, что девиации фазового пути на восходящем участке траектории распространения волны накачки могли играть определяющую роль в возникновении синхронных вариаций ДСЧ саморассеянных сигналов, наблюдавшихся в эксперименте. Кроме того, рассчитаны характеристики рассеяния ВЧ полей в ракурсном направлении с учетом регулярной рефракции в ионосфере и рассмотрено условие запитки межслоевого ионосферного волновода в заданном направлении ракурсно-рассеянными сигналами. Расчеты выполнены методом геометрической оптики в борновском приближении для анизотропной степенной модели спектра случайных неоднородностей верхней ионосферы. Показано, что рассмотренный механизм обеспечивает практически одинаковые характеристики рассеяния сигналов в направле- нии всех трех приемных пунктов. Ключевые слова: “эффект саморассеяния”, ионосфера, ионосферная рефракция, магнитоориентированные неоднородности, ракурсное рассеяние, межслоевой ионосферный волновод УДК 537.874.4 © В. Г. Галушко, В. Г. Безродный, А. В. Колосков, А. В. Зализовский, 2012 1. Ââåäåíèå Эксперименты по воздействию на ионосферу мощным высокочастотным (ВЧ) излучением про- водятся в США, Европе и России с шестидеся- тых–семидесятых годов двадцатого столетия. Сейчас в мире имеется четыре действующих ВЧ нагревных стенда (НС), один из которых находит- ся в России (НС “Сура”, Васильсурск), два – в Европе (НС EISCAT, Тромсё, Норвегия и НС SPEAR, Шпицберген, Норвегия) и один – в США (HAARP, Аляска) [1]. Еще один нагревный стенд, располагавшийся в США (HIPAS, Аляска), экс- плуатировался до 2010 г. Для исследования нели- нейных эффектов, стимулированных в ионосфер- ной плазме излучением таких установок, приме- няются разнообразные диагностические средства, включая радары некогерентного рассеяния (НР), комплексы многочастотного доплеровского зон- дирования, камеры для оптических наблюдений, магнетометры и т. д. Одним из наиболее эффек- тивных инструментов изучения искусственной ионосферной турбулентности (ИИТ) является метод ракурсного рассеяния, который основан на рассеянии пробных ВЧ и УВЧ сигналов спе- циальных и вещательных передатчиков магнито- ориентированными неоднородностями электронной концентрации [2]. Вместе с тем вполне очевидно, что определенная информация об ИИТ содержит- ся и в сигналах собственно нагревного стенда, рас- сеянных или отраженных модифицированной обла- стью ионосферы. По-видимому, один из первых целенаправленных экспериментов по наблюдению мощного ВЧ излучения, рассеянного им же создан- ными ионосферными неоднородностями, был про- веден 26–30 октября 2002 г. авторами статьи [3] с использованием НС EISCAT (Тромсё, Норвегия, координаты: 69 35′° с. ш., 19 14′° в. д.). В боль- шинстве сеансов нагревный стенд излучал волну О-поляризации преимущественно в направлении ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 2, 2012 113 О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере магнитного зенита (диаграмма направленности ориентировалась под углом места 78° в плос- кости магнитного меридиана). В большинстве сеансов нагрева одновременно излучались два гар- монических сигнала равной амплитуды, разнесен- ные по частоте на 19 или 22 Гц вблизи критичес- кой частоты F-слоя ионосферы, которая опреде- лялась по данным вертикального зондирования. Для диагностики эффектов модификации ионос- феры использовался также УВЧ радар НР EISCAT, расположенный на расстоянии менее од- ного километра от НС. Для регистрации излучения НС было организо- вано три приемных пункта, сильно разнесенных в пространстве. Один из них располагался в Ан- тарктике на Украинской антарктической станции (УАС) “Академик Вернадский” (65 15′° ю. ш., 64 16′° з. д.), второй – вблизи Харькова (Украи- на) в Радиоастрономической обсерватории (РАО) Радиоастрономического института Национальной академии наук Украины (49 40′° с. ш., 36 50′° в. д.) и третий – вблизи Санкт-Петербурга в России (59 57′° с. ш., 30 42′° в. д.). Как правило, спектры принятых сигналов со- держали две характерные компоненты (см. рис. 1). Одна из них была сравнительно узкополосной с незначительными вариациями доплеровского смещения частоты (ДСЧ), типичными для скач- кового механизма распространения ВЧ сигналов в средних широтах. Скорее всего, эта состав- ляющая излучалась боковыми лепестками антен- ны НС. Спектр второй компоненты был значи- тельно шире (зачастую его ширина составляла величину порядка 10 Гц), подобно спектрам сиг- налов, рассеянных на частотах выше максималь- но применимой. Кроме того, широкополосная (рассеянная) составляющая сильно флуктуиро- вала по частоте с размахом вариаций временами более 10 Гц. Следует также отметить, что соот- ношение между интенсивностями рассеянной и зеркально отраженной компонент уменьша- лось с удалением от НС. Это иллюстрируется спектрами мощности сигналов, представленны- ми на рис. 1. Видно, что в данном случае в РАО принимались обе, узкополосная (зеркальная) и ши- рокополосная (рассеянная), компоненты, в то вре- мя как на УАС только широкополосная состав- ляющая. Но самым примечательным является то, что вариации как амплитуды, так и ДСЧ ши- рокополосной составляющей в большинстве слу- чаев были практически синхронны во всех на- блюдательных пунктах. В качестве примера на рис. 2 приведены спек- трограммы сигналов, принятых 29.10.2002 г. в ин- тервале времени 2:00:30–2:15:00 UT в РАО и на УАС. Видно, что в спектрах, записанных в РАО, кроме широкополосной (рассеянной) составляю- щей сигнала НС, присутствует и узкополосная компонента, в то время как на УАС принимался только широкополосный сигнал на фоне узкополос- ных помех. Кроме того, и амплитуды, и ДСЧ сиг- Рис. 1. Спектры мощности сигнала НС EISCAT, приня- тые в РАО (а) и на УАС (б) 29.10.2002 г. Частоты излуче- ния равнялись 4040717 и 4040695 Гц (соответственно 0 и –22 Гц в спектрах). Спектры усреднены по интервалу вре- мени 02:02:00–02:03:54 UT. Спектральное разрешение – порядка 1 Гц 114 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 2, 2012 В. Г. Галушко, В. Г. Безродный, А. В. Колосков, А. В. Зализовский налов флуктуируют синхронно в обоих сильно раз- несенных в пространстве пунктах. Такое поведе- ние спектральных параметров широкополосной составляющей позволило авторам предложить следующее объяснение наблюдавшемуся эффек- ту, который они назвали “эффектом саморассея- ния” [3]. Сигналы НС, излученные в пределах главного лепестка диаграммы направленности ан- тенны, на пути до области рассеяния проходят через одни и те же неоднородности нижележа- щей ионосферы, приобретая в результате одина- ковое ДСЧ. Затем они рассеиваются на ими же созданных неоднородностях (отсюда “эффект саморассеяния”) и дальше распространяются к приемным пунктам, например, в межслоевом ионосферном волноводе, который характеризует- ся малым погонным затуханием. Такой механизм позволяет объяснить синхронные вариации спек- тральных параметров широкополосной компонен- ты сигнала НС в разных приемных пунктах и ди- станционную зависимость соотношения между амплитудами “узкополосной” и “широкополосной” составляющих, однако требует более детального обоснования. В настоящей работе для проверки предложен- ной гипотезы проведено моделирование ДСЧ ВЧ сигнала, возникающего в нижней ионосфере, для условий эксперимента [3] с использованием дан- ных радара НР EISCAT (раздел 2). Кроме того, рассчитаны характеристики рассеяния ВЧ полей в ракурсном направлении с учетом регулярной рефракции в ионосфере и рассмотрено условие запитки межслоевого ионосферного волновода ракурсно-рассеянными сигналами (раздел 3). 2. Ìîäåëèðîâàíèå âàðèàöèé ÄÑ× ñèãíàëîâ ÍÑ Как известно [4], существует два основных ме- ханизма возникновения ДСЧ при ионосферном распространении радиоволн. Первый из них свя- зан с физическим перемещением в пространстве приемника и/или источника сигнала. В нашем слу- чае вторичным источником сигнала являются ионосферные неоднородности, и тогда в соответ- ствии с [5] ДСЧ можно выразить как 1 ( ) . 2D sf K z V= ⋅ π (1) Здесь V – вектор скорости движения рассеи- вающих неоднородностей, ( )( ) ( )s s sK z k z= − ( ) ( )i sk z – вектор рассеяния на высоте рассея- Рис. 2. Спектрограммы сигналов НС EISCAT, полученные в РАО (верхняя панель) и на УАС (нижняя панель) в интервале времени 02:00:30–02:15:00 UT 29.10.2002 г. Нагревный стенд излучал на частотах 4040717 и 4040695 Гц (соответственно 0 и –22 Гц по оси частот на спектрограммах) ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 2, 2012 115 О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере ния ,sz где ( ) ( )s sk z и ( ) ( )i sk z – волновые векто- ры рассеянной и падающей волн. Заметим, что ( ) ( ) 0( ) ( ) ( ),s i s s sk z k z k n z= = где ( )sn z – коэф- фициент преломления, а 0 2k f c= π – волновой вектор в свободном пространстве (f – частота сиг- нала, c – скорость света). Второй механизм связан с вариациями коэффи- циента преломления вдоль пути распространения сигнала между источником и приемником. В этом случае ДСЧ может быть рассчитано как [4] d ( ) d , dD L f P f n lf l c t c t ∂= − = − ∂∫ (2) где P – длина фазового пути, l – координата вдоль траектории распространения L. Проанализируем возможность появления за- регистрированных в эксперименте вариаций ДСЧ за счет рассмотренных выше механизмов. Из формулы (1) видно, что в случае первого ме- ханизма одинаковое значение ДСЧ в различных измерительных пунктах возможно только при равенстве соответствующих векторов рассея- ния, что маловероятно ввиду большого простран- ственного разноса приемных позиций. Поэтому более предпочтительным для объяснения синх- ронных вариаций ДСЧ в разных пунктах выгля- дит второй механизм. Действительно, если пред- положить, что основной вклад в ДСЧ дают флук- туации показателя преломления на общем для всех трасс распространения восходящем участ- ке траектории, то вариации ДСЧ в разных прием- ных пунктах должны быть синхронными при любой динамике неоднородностей электронной кон- центрации. Для проверки этой гипотезы были проведены следующие модельные расчеты. Пусть волна накачки распространяется в плоскослоистой ионосфере и рассеивается на ею же созданных неоднородностях. Как известно [1], наиболее эффективная генерация ИИТ при ВЧ нагреве происходит в области верхнего гибридного резо- нанса, высота которой UHz определяется из сле- дующего уравнения: 2 2 2( ) ( ),p UH H UHf f z f z= + (3) где f – частота волны накачки, ( )p UHf z – плазмен- ная частота, ( )H UHf z – гирочастота электронов. Тогда величина ДСЧ за счет флуктуаций элек- тронной концентрации на восходящем участке траектории может быть оценена из (2) путем интегрирования по высоте z от поверхности Зем- ли ( 0)z = до ,UHz z= 2 2 2 0 0 ( , ) d , 2 ( , ) sin UHz D f n z t tf z c n z t ∂ ∂= − − θ ∫ (4) где 0θ – угол падения волны на нижнюю границу ионосферы, а коэффициент преломления в случае бесстолкновительной изотропной плазмы задает- ся следующим образом [6]: 2 2( , ) 1 ( , ) .pn z t f z t f= − Формула (4) была использована для числен- ных оценок вариаций ДСЧ по реальным профи- лям электронной концентрации, которые восста- навливались по данным УВЧ радара НР EISCAT каждые 4 с. В качестве примера на рис. 3, а приведены временные вариации электронной концентрации eN в диапазоне высот 90 260÷ км, восстанов- ленные по данным радара НР EISCAT, получен- ным 29 октября 2002 г., для интервала времени 04:19:30–04:21:00 UT. В это время антенна рада- ра была ориентирована так же, как и диаграмма направленности антенны НС, т. е. в магнитный зенит, что соответствует 0 12.5 .θ = ° Для срав- нения на рис. 3, б приведены вариации ДСЧ для этого же интервала времени. Толстая линия соответствует данным измерений в РАО, а тон- кая – результатам расчетов по формуле (4) с использованием распределения электронной кон- центрации, представленного на рис. 3, а. Видно, что экспериментальные и расчетные значения ДСЧ достаточно хорошо согласуются друг с другом. Таким образом, можно утверждать, что девиации фазового пути на восходящем участке траектории распространения волны накачки играли определяющую роль в возникновении синхронных вариаций ДСЧ “саморассеянных” сигналов, наблюдавшихся на разных приемных позициях. Следует отметить, что приведенные выше результаты модельных расчетов были получены при интегрировании формулы (4) вдоль одной траектории волны накачки с 0 12.5 .θ = ° На са- мом деле в пределах диаграммы направленнос- 116 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 2, 2012 В. Г. Галушко, В. Г. Безродный, А. В. Колосков, А. В. Зализовский ти антенны НС можно построить целый набор траекторий сигналов, которые, рассеиваясь на ими же созданных неоднородностях, могут далее распространяться в межслоевом ионосферном волноводе. В этой связи возникает необходимость определения областей, ответственных за рассея- ние сигналов в заданных направлениях, а также исследования соответствующих условий запитки межслоевого волноводного канала. Для этого в следующем разделе рассчитаны характеристики рассеяния ВЧ полей в ракурсном направлении с учетом регулярной рефракции в ионосфере и по- лучено условие запитки межслоевого ионосферно- го волновода ракурсно-рассеянными сигналами. 3. Àíàëèç óñëîâèÿ âîçáóæäåíèÿ ìåæñëîåâîãî èîíîñôåðíîãî âîëíîâîäà ðàêóðñíî-ðàññåÿííûìè ñèãíàëàìè Для исследования возможности волноводного распространения сигналов НС воспользуемся результатами работы [7], в которой рассмотре- но рассеяние плоской электромагнитной волны магнитоориентированными плазменными нео- днородностями с учетом регулярной рефракции в ионосфере. Задача решалась в следующей постановке (см. рис. 4). Из нижнего полупрост- ранства ( 0)z < на ионосферный слой падает мо- нохроматическая плоская электромагнитная вол- на частотой ω с волновым вектором ( ) (0)ik = { }( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 0(0), (0), (0) . Здесь (0) sin cos ,i i i i x y z xk k k k k= θ ϕ ( ) 0 0 0(0) sin sini yk k= θ ϕ и ( ) 0 0(0) cos ,i zk k= θ где 0 ,k c= ω а углы 0θ и 0ϕ определяют ориента- цию волнового вектора на нижней границе ионос- феры ( 0).z = Ионосферный слой представляет собой плоскослоистую бесстолкновительную ди- электрическую среду, заполненную случайными неоднородностями, 0 ( ) ( , , ), 0; ( , , ) 1, 0. z x y z z x y z z ε + δε ≥⎧ε = ⎨ <⎩ Рис. 3. Временные вариации электронной концентра- ции в диапазоне высот 90 260÷ км по данным радара НР EISCAT для интервала времени 04:19:30–04:21:00 UT 29.10.2002 г. (а). Вариации ДСЧ, измеренного в РАО (тол- стая линия) и рассчитанного по формуле (4) (тонкая линия) с использованием данных радара НР EISCAT (б) Рис. 4. Постановка задачи рассеяния ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 2, 2012 117 О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере Здесь 0 ( )zε – регулярная (т. е. в отсутствие нео- днородностей) составляющая диэлектрической проницаемости ионосферы, которую можно запи- сать в виде 2 2 0 0 2 2 ( ) 4 ( )( ) 1 1 ,p z e N zz m ω πε = − = − ω ω (5) где 0 ( )N z – регулярный высотный профиль элек- тронной концентрации, а e и m соответственно за- ряд и масса электрона; ( , , )x y zδε – случайная добавка, обусловленная флуктуациями электрон- ной концентрации ( , , )N x y zδ с нулевым средним ( , ) 0N r zδ = и дисперсией [ ]2 2( , ) ( )NN r z zδ = σ (угловые скобки ... означают статистическое усреднение), 2 2 4 ( , , )( , , ) .e N x y zx y z m π δδε = ω (6) При этом предполагается выполнение неравенства 2 0[ ( , , )] ( ),x y z zδε ε что позволяет пренеб- речь влиянием неоднородностей электронной кон- центрации на траекториях распространения па- дающей и рассеянной волн и рассчитывать их в приближении геометрической оптики. Как известно [2], рассеяние ВЧ полей на маг- нитоориентированных сильно анизотропных нео- днородностях верхней ионосферы происходит преимущественно в направлениях, определенных так называемым ракурсным условием 0( ) 0,sK z h⋅ = (7) где { } { }0 0 0 0, , cos , 0, sinx y zh h h h I I≡ = − – единич- ный вектор в направлении магнитного поля, ориен- тация которого в плоскости геомагнитного мери- диана 0y = (см. рис. 4) задается углом наклонения I ( 90 90 ),I− ° ≤ ≤ ° отсчитываемым от горизонталь- ной плоскости [8]. Из (7) можно получить два ре- шения для определения ориентации волнового век- тора рассеянного поля: ( ) 1,2 2 2 2 ( ) 0 0 1cos cos s s z xh h θ = × + ϕ ( ){ ( ) ( ) ( ) 0 0 0 0 0sin cos cos cosi i s z x z xh h h h× θ ϕ + θ ± ϕ × ( )2( ) ( ) 0 0 0cos cos sini i x zh h⎡× θ ϕ − θ +⎢⎣ ( ) }1 22 2 ( ) 2 0 0cos cos ,s xh ⎤+ ϕ − ϕ ⎦ (8а) ( ) 1,2 2 2 2 ( ) 0 0 1sin cos s s z xh h θ = × + ϕ ( ){ ( ) ( ) ( ) 0 0 0 0sin cos cos cosi i s x x zh h h× θ ϕ + θ ϕ ∓ ( )2( ) ( ) 0 0 0 0cos cos sini i z x zh h h⎡ θ ϕ − θ +⎢⎣ ∓ ( ) }1 22 2 ( ) 2 0 0cos cos .s xh ⎤+ ϕ − ϕ ⎦ (8б) Здесь ( ) ,sθ ( )sϕ и ( ) ,iθ ( )iϕ – углы, определяю- щие ориентацию волновых векторов рассеянного (индекс s) и падающего (индекс i) полей в точ- ке рассеяния .sz Верхний знак в фигурных скоб- ках относится к решению ( ) 1 ,sθ а нижний – к ( ) 2 .sθ Кроме того, учтено, что в соответствии с уравне- ниями геометрической оптики для плоскослоис- той среды ( ) 0 iϕ = ϕ (см., например, [9]). Заметим, что падающая волна может рассеиваться как в верхнее полупространство ( )( ) 1,2cos 0sθ > относи- тельно уровня ,sz так и в нижнее ( )( ) 1,2cos 0 ,sθ ≤ т. е. ( ) 1,2 [0, ].sθ ∈ π Таким образом, область суще- ствования решения (8) по углу ( )sϕ ограничена условием ( ) 1,2sin 0.sθ ≥ (9) Еще одним необходимым условием существо- вания действительного решения уравнения (7) является неотрицательность подкоренного выра- жения в (8), т. е. 2 2 ( ) 2 ( ) ( )0 0 0 0 cos cos cos cos sin .s i iz x h h ⎡ ⎤ ϕ ≥ ϕ − θ ϕ − θ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ Значение ( )sin iθ на высоте sz связано с вели- чиной 0sinθ на высоте 0z = посредством закона Снеллиуса [9]: ( ) ( ) 0 0 0sin ( ) sin ( ) ( ) sin ( ).i i s sz z z zθ = ε θ = ε θ (10) Из (10) следует, что если на некоторой высоте z выполняется равенство 0 0sin ( ),zθ = ε кото- рое с учетом (5) можно представить в виде 118 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 2, 2012 В. Г. Галушко, В. Г. Безродный, А. В. Колосков, А. В. Зализовский 0cos ( ),p zω θ = ω (11) то значение ( )sin iθ на этой высоте равно 1, т. е. ( ) ( ) 2.i zθ = π Уравнение (11) определяет вы- соту критического отражения, ,crz луча, упавше- го под углом 0θ на нижнюю границу ионосферно- го слоя. В таком случае в точку рассеяния прихо- дят две волны, одна из которых рассеивается на восходящем участке траектории (прямой луч), а вторая – на нисходящем (отраженный луч). Отметим, что при 0cos crω θ > ω точка отражения отсутствует и рассеяние происходит только на восходящем участке траектории. Рассмотрим теперь рассеянную компоненту. Пусть профиль электронной концентрации 0 ( )N z описывается гладкой функцией с одним макси- мумом ( )m mN z на высоте mz (однослойная мо- дель ионосферы). Тогда при crω ≥ ω волны, рас- сеянные как в нижнее ( )(cos 0),sθ ≤ так и верх- нее ( )(cos 0)sθ > полупространство, выйдут на нижнюю границу ионосферного слоя 0z = под углом ( ) 0 [ 2, ],sθ ∈ π π который определяется из уравнения аналогичного (10), ( ) ( ) 0 0sin ( ) sin ( ).s s s sz zθ = ε θ Если же ,crω < ω то границы 0z = достигнут только волны, рассеянные под углами ( ) ( )( ) ,s s s crzθ ≥ θ где ( ) [0, 2]s crθ ∈ π – некий критический угол, вели- чина которого, с учетом (5) и закона Снеллиуса (10), определяется из уравнения 2 2 ( ) 2 2sin . ( ) s cr cr p sz ω −ωθ = ω −ω (12) В противном случае, ( ) ( )( ) ,s s s crzθ < θ рассеян- ная волна уйдет в верхнее полупространство, пройдя сквозь ионосферу. Заметим, что при наличии нескольких ионо- сферных слоев (например, F и E) возможна си- туация, когда сигналы, рассеянные в определен- ных направлениях, не достигают границ ионосфе- ры и захватываются в межслоевой ионосферный волновод. Собственно этот случай и представ- ляет интерес применительно к интерпретации “эффекта саморассеяния”. Подробно он будет исследован ниже, а сейчас рассмотрим энерге- тические характеристики ракурсного рассеяния. Как известно (см., например, [5]), мощность из- лучения, рассеянного единичным объемом сре- ды в единичный телесный угол в заданном на- правлении при единичной плотности потока па- дающего излучения, характеризуется эффектив- ным дифференциальным поперечником рассеяния. В приближении однократного рассеяния эта ве- личина описывается формулой [5, 7] ( ) ( ) 4 0( ) ( ) ( ) . 2s s s kQ K z P z K zε π= Φ (13) Здесь ( )( )sK zεΦ – трехмерный пространствен- ный спектр флуктуаций ,δε ( )sP z – поляриза- ционный множитель. В случае круговой поляри- зации, которая преимущественно используется при ВЧ нагреве ионосферы, ( )sP z описывается формулой [5] ( )21( ) 1 cos ( ) 2s sP z z= + γ = ( )2( ) ( ) 41 1 ( ) ( ) ( ) , 2 s i s s sk z k z k z⎡ ⎤= + ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦ (14) где ( )szγ – угол, образованный волновыми векторами рассеянного, ( ) ( ),s sk z и падающего, ( ) ( ),i sk z полей, а ( ) ( )( ) ( ) ( ) .s i s s sk z k z k z= ≡ Широко распространенной аппроксимацией пространственного спектра ( )KεΦ флуктуаций ( , )r zδε замагниченной плазмы верхней ионо- сферы в инерционном интервале волновых чисел является анизотропная степенная модель (см., например, [2]), для которой ( )( )sK zεΦ можно представить в виде 22 2 2 \|\| \|\| \|\|( , ) ( ) 1 ( ) ( ) . p K K C z K L K L − ε ⊥ ε ⊥ ⊥⎡ ⎤Φ = + +⎣ ⎦ (15) Здесь 2 2( ) ~ ( )C z zε εσ – нормировочный множи- тель, где 2 ( )zεσ – дисперсия флуктуаций ;δε 3 4;p< < \|\|K и K⊥ – продольная и поперечная (относительно направления геомагнитного поля) со- ставляющие вектора рассеяния ;K а \|\|L и L⊥ – характерные продольный и поперечный относи- тельно 0h внешние масштабы ионосферной тур- булентности, причем \|\| .L L⊥ С учетом условия ракурсного рассеяния (7) и выражения (15) из (13) получим 4 22 2 20( ) ( ) ( ) 1 ( ) , 2 p s s s s kQ z P z C z K z L − ε ⊥ ⊥ π ⎡ ⎤= +⎣ ⎦ (16) ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 2, 2012 119 О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере где 2 2 2 ( ) 2 0 0 0( ) sin sins sK z k⊥ ⎡= θ + θ +⎣ ( ) 22( ) ( ) ( ) 0 0 0 2 0 sin cos sin coss s i x z h h + θ ϕ − θ ϕ − ( )( ) ( ) ( ) 0 02sin sin cos .s i s ⎤− θ θ ϕ −ϕ ⎦ (17) В соответствии с (6) для 2 ( )sC zε можно записать 4 2 2 2 4 2 0 ( ) ( )( ) ~ ( ) . ( ) p s N s s s s z zC z z N zε ε ω σσ = ω (18) Таким образом, формула (16) позволяет рас- считать значение поперечника рассеяния ионо- сферного слоя с анизотропными неоднороднос- тями электронной концентрации, соответствую- щее направлению ракурсного рассеяния (условие (6)), при падении на него плоской электромагнит- ной волны. Заметим, что все величины, входя- щие в (16), выражаются через углы ориентации волновых векторов падающего и рассеянного полей на нижней границе ионосферного слоя 0,z = поскольку ( ) 0( )i zϕ = ϕ и ( ) ( ) 0( ) .s szϕ = ϕ В качестве примера рассмотрим характерис- тики рассеяния для часто реализуемого режима вертикального нагрева ионосферы 0( 0)θ = при условии .crω≤ ω Наклонение магнитного поля зададим равным 77.5 ,I = ° что соответствует ме- сторасположению НС EISCAT (69 35′° с. ш., 19 14′° в. д.). Кроме того, для удобства анализа введем угол ( ) ( ) 0 .s s outθ = π−θ На рис. 5 приведены изолинии ( ) 75 (255 ),sϕ = ° ° 45 (225 )° ° и 0 (180 ),° ° построенные в координатах 2 2( )p szα = ω ω и ( ) .s outθ Расчеты выполнены с использованием формул (5) и (7) при 0 0.θ = Видно, что, несмотря на нор- мальное падение исходной волны на ионосфер- ный слой, волновой вектор ракурсно-рассеянной компоненты на выходе из ионосферы ( 0)z = может существенно отклоняться от вертикали. Величина этого отклонения увеличивается с уменьшением ,α т. е. уменьшением высоты рассеяния ,sz и с приближением направления рас- сеяния по азимуту к плоскости магнитного мери- диана, достигая максимума, равного в данном случае 2 25 ,Iπ− = ° при 0sz = и ( ) 0, .sϕ = π Рассмотрим теперь поперечник рассеяния в направлении, заданном формулами (8). Исполь- зуя выражения (14), (17) и (18), вычислим соот- ветственно величины ( ),sP z 2 ( )sK z⊥ и 2 ( )sC zε при 0 0,θ = подставив которые в (16), получим ( ) 4 4 4 4 ( ) 0 0 0 4 22 2 2 ( ) 0 0 ( ) cos( ) ~ ( ) cos s p s z x s s s z x z h hQ z Q z h h ω + ϕ × ω + ϕ 22 2 2 2 ( ) 0 0 0 2 2 2 ( ) 0 0 4 ( )cos1 , cos ps x s s z x k h L z h h − ⊥⎡ ⎤ε ϕ× +⎢ ⎥+ ϕ⎣ ⎦ (19) где 4 2 0 0 2 0 ( )( ) . 2 ( ) N s s s k zQ z N z π σ= Для спокойных ионос- ферных условий можно считать, что 2 2 0 ( ) ( ) N s s z N z σ = 2const .N≡ σ Тогда 4 20 0 ( ) . 2s N kQ z π= σ На рис. 6 по- казаны угловые распределения величины [ ]010log ( ) ( ) ,s sQ z Q z рассчитанные по формуле (19) с 11 3p = при 0 1L⊥ λ = (верхний рисунок) и 0 5L⊥ λ = (нижний рисунок). Здесь 0 f cλ = = 02 kπ – длина волны в свободном пространстве. Для того чтобы иметь возможность хотя бы гру- бого сопоставления этих данных с высотами рас- сеяния sz (или соответствующими им значения- ми ( )),p szω на рисунках изображены изолинии 2 2( ) 0.3p szα = ω ω = (сплошная линия), 0.75α = (штриховая линия) и 0.99α = (пунктирная линия). Рис. 5. Изолинии ( ) 75 (255 )sϕ = ° ° (сплошная кривая), ( ) 45 (225 )sϕ = ° ° (штриховая кривая) и ( ) 0 (180 )sϕ = ° ° (пун- ктирная кривая), построенные в координатах 2 2( )p szα = ω ω и ( )s outθ для угла наклонения магнитного поля 77.5 ,I = ° соот- ветствующего месторасположению НС EISCAT (69 35′° с. ш., 19 14′° в. д.) 120 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 2, 2012 В. Г. Галушко, В. Г. Безродный, А. В. Колосков, А. В. Зализовский Видно, что с ростом α (т. е. высоты рассея- ния )sz значение поперечника рассеяния увели- чивается и достигает максимума при 1,α = что соответствует ( ) 0.s outθ = Это обусловлено как ростом 2 ( )N szσ (в силу предположения, что 2 2 4 0( ) ~ ( ) ~ ( )),N s s p sz N z zσ ω так и уменьшением второго слагаемого в квадратных скобках выра- жения (19), поскольку 0 ( ) 0szε → при .s crz z→ Последнее обстоятельство можно трактовать как увеличение длины волны исходного (падающего) поля в ионосфере при приближении к точке крити- ческого отражения, так как 0 0( ) ( ).s sk z k z= ε Очевидно, с этим же связано и расширение ази- мутального распределения поперечника рассея- ния при уменьшении ( ) .s outθ Например, уже для ( ) 5 10s outθ ≈ °÷ ° поперечник рассеяния практически изотропен в азимутальной плоскости, причем чем меньше 0 ,L⊥ λ тем больше значение поперечни- ка рассеяния. Это позволяет предположить, что при наличии нескольких ионосферных слоев (на- пример, E и F) некоторая часть энергии рассеян- ной волны может быть захвачена в межслоевой ионосферный волновод. Поскольку такой волно- водный канал характеризуется малым погонным затуханием ВЧ сигналов, вполне возможно, что именно он обеспечивал сверхдальнее распрост- ранение излучения НС EISCAT в экспериментах по наблюдению “эффекта саморассеяния” [3]. В этой связи рассмотрим возможность запитки межслоевого ионосферного волновода ракурсно- рассеянными сигналами более подробно. Пусть в ионосфере имеются два слоя, напри- мер, E и F, которые характеризуются соответ- ствующими критическими частотами, crEω и ,crFω и высотами максимумов, mEz и .mFz Мини- Рис. 6. Угловые распределения величины [ ]010log ( ) ( ) ,s sQ z Q z рассчитанные по формуле (19) с 11 3p = при 0 1L⊥ λ = (а) и 0 5L⊥ λ = (б) для случая вертикального облучения ионосферы на широтах, соответствующих расположению НС EISCAT ( 77.5 ).I = ° Сплошной, штриховой и пунктирной линиями показаны уровни 2 2( ) 0.3,p szα = ω ω = 0.75α = и 0.99α = соответственно ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 2, 2012 121 О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере мальное значение плазменной частоты в меж- слоевой долине на высоте vz обозначим .vω Будем считать, что ,crFω ≥ ω т. е. волна часто- той ω отражается от F-слоя (верхней “стенки” волновода) независимо от угла ее падения. Впол- не очевидно, что межслоевой волновод может возбуждаться только полями, рассеянными в об- ласти высот .mE s mFz z z< < Таким образом, преж- де всего нужно, чтобы падающая волна проходи- ла сквозь E-слой, т. е. 0cos .crEω θ > ω Как следует из закона Снеллиуса, для того чтобы рассеянная компонента была захвачена волноводом, т. е. отражалась от E-слоя (нижней “стенки” волновода), необходимо выполнение следующего условия: ( ) 0 0( ) sin ( ) ( ),s s s crEz z zε θ ≥ ε которое с учетом (5) можно представить в виде, аналогичном (12), 2 2 ( ) 2 2sin ( ) , ( ) s crE s p s z z ω −ωθ ≥ ω −ω (20) где ( )sin ( )s szθ определяется формулой (8б). Поскольку ( )sin ( ) 1,s szθ ≤ из (20) следует, что рассеяние должно происходить в области высот ,mE s Fz z z< < где [ , ]F v mFz z z∈ определяется из уравнения ( ) .p crEzω = ω Дальнейший анализ проведем для параметров задачи, соответствующих условиям эксперимен- та по наблюдению “эффекта саморассеяния” из- лучения НС EISCAT [3]. Нас будет интересовать возможность запитки межслоевого ионосферно- го волновода в направлении приемных позиций, располагавшихся на УАС, вблизи Санкт-Петер- бурга (Россия) и в РАО. В выбранной системе координат для УАС ( ) 135 ,sϕ ≈ ° а для двух других пунктов ( ) 225 .sϕ ≈ ° В большинстве сеансов на- грева излучение осуществлялось в направлении магнитного зенита на одной или двух близких частотах около 4.04 МГц. По данным ионозонда EISCAT во время экспериментов наблюдались мощные слои E, критические частоты которых были близки к частоте нагрева, а временами да- же превышали ее. Для наших оценок зададим 3.9crEf = МГц. Как уже отмечалось в разделе 2, согласно [1] эффективная генерация ИИТ мощ- ным ВЧ излучением происходит в области вы- сот, на нижней границе которой, ,UHz выпол- няется условие верхнего гибридного резонанса (3), а на верхней, ,crz – условие критического отражения (11). Поэтому для расчетов зададим область изменения ( )p sf z от значения ( )p UHf z = 2 2 ( ),H UHf f z− равного примерно 3.79 МГц при частоте волны накачки 4.04f = МГц и 1.4Hf ≈ МГц, до 3.9crEf = МГц. Результаты вычислений для указанных выше параметров пред- ставлены на рис. 7. Здесь в координатах 0θ (от- счет по радиусу), 0ϕ (отсчет против часовой стрел- ки) приведены распределения величин ( )sin ,sθ удовлетворяющих условию возбуждения межсло- евого ионосферного волновода (формула (20)) на частоте 4.04 МГц, рассчитанные для ( ) 135sϕ = ° и двух значений ,pf равных 3.79 МГц (а) и 3.87 МГц (в), а также соответствующие рас- пределения величины [ ]010log ( ) ( )s sQ z Q z при 11 3p = и 0 1L⊥ λ = (панели (б) и (г)). Значения указанных величин даны в оттенках серого (см. соответствующие шкалы справа). Как следует из анализа выражений (8) и (17), распределения ( )sin sθ для ( ) 225sϕ = ° будут такими же, как на рис. 7, а, в, а распределения [ ]010log ( ) ( )s sQ z Q z отобразятся зеркально относительно линии 0 180 .ϕ = ° Заметим, что границы области захва- та ракурсно-рассеянного сигнала межслоевым ионосферным волноводом определяются по уров- ню 2 2 ( ) 2 2sin ( ) ( ) s crE s p s z z ω −ωθ = ω −ω (см. выражение (20)), равному примерно 0.754 при 3.79pf = МГц и 0.909 при 3.87pf = МГц. Штриховой линией на рисунке показана диаграмма направленности НС EISCAT по уровню половинной мощности. Видно, что для заданной ориентации пере- дающей антенны возможность волноводного распространения в направлениях ( ) 135sϕ = ° и ( ) 225sϕ = ° реализуется в весьма узкой области углов вблизи значений 0 15θ ≈ ° и 0 180 ,ϕ = ° ха- рактерные размеры которой, например, при 3.87pf = МГц составляют около 15± ° по азиму- ту и менее 1° по углу 0θ (см. рис. 7, а). При этом линейные размеры области, например, на высоте 200 км, равны приблизительно 45 50÷ км поперек магнитного меридиана и 3 4÷ км вдоль. Заметим, что, как следует из анализа выражений (8), этот случай соответствует рассеянию отражен- 122 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 2, 2012 В. Г. Галушко, В. Г. Безродный, А. В. Колосков, А. В. Зализовский ных от ионосферы сигналов. Значение величи- ны [ ]010log ( ) ( )s sQ z Q z в данном диапазоне углов меняется незначительно, примерно от –4 до –12 (см. рис. 7, б). При увеличении ,pf т. е. при приближении высоты рассеяния sz к высоте критического отражения ,crz угловые, а значит и линейные, размеры данной области умень- шаются приблизительно в 2 раза (см. рис. 7, в), а поперечник рассеяния меняется незначительно (см. рис. 7, г). В свете проведенного анализа объяснение “эф- фекта саморассеяния”, предложенное в [3], пред- ставляется весьма правдоподобным. Действи- тельно, по данным радара НР EISCAT во время экспериментов в области высот 100 200÷ км на- блюдались достаточно сильные вариации элект- ронной концентрации, которые могли оказывать существенное влияние на ДСЧ и амплитуду сиг- налов НС. В частности, это подтверждается ре- зультатами компьютерного моделирования ва- риаций ДСЧ, приведенными в разделе 2. Посколь- ку угловые размеры области рассеяния, ответ- ственной за запитку межслоевого ионосферного волновода в направлении расположения прием- ных позиций, весьма малы, можно полагать, что соответствующие траектории нагревного сигна- ла на восходящем участке проходят через одни и те же неоднородности нижней ионосферы, а значит, в равной степени подвергаются их влиянию. Затем отразившиеся от ионосферного слоя F сигналы рассеиваются на ими же создан- ных магнитоориентированных неоднородностях и распространяются в направлении пунктов на- блюдения с помощью волноводного механизма. Учитывая, что область рассеяния, обеспечи- вающая волноводное распространение в данных направлениях, одна и та же, а траектории сигна- лов в межслоевом волноводе практически не под- Рис. 7. Распределения величин ( )sin ,sθ удовлетворяющих условию возбуждения межслоевого ионосферного волновода (формула (20)) на частоте 4.04 МГц в координатах 0θ (отсчет по радиусу), 0ϕ (отсчет по кругу против часовой стрелки), рассчитанные для ( ) 135sϕ = ° и двух значений ,pf равных 3.79 МГц (а) и 3.87 МГц (в), а также соответствующие распреде- ления величины [ ]010log ( ) ( )s sQ z Q z при 11 3p = и 0 1L⊥ λ = (панели (б) и (г)). Значения указанных величин даны в оттенках серого (см. соответствующие шкалы справа). Пунктирной линией показана диаграмма направленности НС EISCAT по уровню половинной мощности ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 2, 2012 123 О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере вержены влиянию нижней ионосферы, можно ожи- дать, что вариации ДСЧ и амплитуды сигналов в разных приемных пунктах будут похожими. Вероятно, подобный эффект и наблюдали авторы работы [3] в экспериментах по одновременной регистрации излучения НС EISCAT на УАС “Ака- демик Вернадский”, в РАО РИ НАНУ (Украина) и вблизи Санкт-Петербурга (Россия). Конечно, остается открытым вопрос о выводе энергии из межслоевого волновода. Эта проблема требует специального исследования с использованием ин- формации об ионосферных параметрах вдоль трассы распространения, которое не являлось предметом настоящей работы. 4. Çàêëþ÷åíèå Таким образом, в статье рассмотрен один из возможных механизмов, позволяющий объяснить синхронные вариации амплитуды и ДСЧ сигналов НС EISCAT в нескольких сильно разнесенных в пространстве приемных пунктах [3]. В частно- сти, ДСЧ, наблюдавшееся в экспериментах [3], скорее всего, обусловлено флуктуациями элект- ронной концентрации в нижней части ионосферы вдоль восходящего участка траекторий, практи- чески одинаковых для всех радиотрасс, что под- тверждается результатами численного моделиро- вания с использованием данных радара НР EISCAT. Затем сигнал нагревного стенда рассеи- вался на им же созданных ионосферных неодно- родностях и далее распространялся волноводной модой, практически не испытывая влияния ниж- ней ионосферы. Это предположение хорошо согла- суется с результатами анализа характеристик рас- сеяния ВЧ сигналов магнитоориентированными случайными плазменными неоднородностями. Расчеты выполнены в приближении метода ма- лых возмущений геометрической оптики для изот- ропной плоскослоистой (в среднем) ионосферы, т. е. предполагалось, что как падающая, так и рас- сеянная электромагнитные волны распространяют- ся вдоль невозмущенных траекторий. Получено уравнение так называемого конуса ракурсного рассеяния, связывающее траекторные характе- ристики падающей и рассеянной в ракурсном на- правлении компонент сигнала. В борновском при- ближении рассчитан поперечник рассеяния ионос- ферного слоя с анизотропными неоднородностя- ми электронной концентрации, соответствующий направлению ракурсного рассеяния, при падении на него плоской электромагнитной волны. Для слу- чая вертикального падения проанализированы зависимости интенсивности рассеянной компо- ненты (поперечника рассеяния) и угла выхода сигнала из ионосферного слоя от направления и высоты рассеяния. Получено условие запитки межслоевого ионосферного волновода ракурсно- рассеянными сигналами с заданной ориентацией горизонтальной проекции волнового вектора. Расчеты характеристик рассеяния с использова- нием реальных ионосферных данных, соответст- вующих условиям проведения экспериментов по наблюдению “эффекта саморассеяния” [3], сви- детельствуют о возможности реализации такого механизма. Полученные результаты могут быть полезны при обработке и интерпретации данных экспери- ментов по наблюдению рассеяния ВЧ сигналов естественными и искусственными ионосферны- ми неоднородностями, разработке новых мето- дов диагностики турбулентной составляющей околоземной плазмы, а также при исследовании механизмов дальнего и сверхдальнего распрост- ранения ВЧ электромагнитного излучения. Авторы считают своим приятным долгом вы- разить благодарность проф. Ю. М. Ямпольско- му за полезные замечания при обсуждении ра- боты, а также Василию Белею и Майклу Рит- велду за предоставленные данные радара НР EISCAT. Работа выполнена в соответствии с планами НИР “Ятаган-2” (номер госрегист- рации 0011U000063) и “Збурення” (номер гос- регистрации 0111U003979) при частичной фи- нансовой поддержке партнерского проекта УНТЦ № Р-524. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 01. Гуревич А. В. Нелинейные явления в ионосфере // Успе- хи физических наук. – 2007. – Т. 177, № 11. – С. 1145–1177. 02. Гершман Б. Н., Ерухимов Л. М., Яшин Ю. Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. – М.: Наука, 1984. – 392 с. 03. Зализовский А. В., Кащеев С. Б., Ямпольский Ю. М., Галушко В. Г., Белей В. С., Айшем Б., Ритвелд М. Т., Ла Хоз С., Брекке А., Благовещенская Н. Ф., Кор- ниенко В. А. Спектральные особенности КВ сигнала нагревного стенда EISCAT в Европе и Антарктике // Радиофизика и радиоастрономия. – 2004. – Т. 9, № 3. – С. 261–273. 124 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 2, 2012 В. Г. Галушко, В. Г. Безродный, А. В. Колосков, А. В. Зализовский 04. Bennett J. A. The ray theory of Doppler frequency shifts // Austr. J. Phys. – 1968. – Vol. 21. – P. 259–272. 05. Рытов С. М., Кравцов Ю. А., Татарский В. И. Введе- ние в статистическую радиофизику. Часть 2. – М.: Наука, 1978. – 463 с. 06. Devies K. Ionospheric Radio. – London, U.K.: Peter Pere- grinus Ltd, 1990. – 580 pp. 07. Безродный В. Г., Галушко В. Г., Райниш Б. В. Ракурсное рассеяние ВЧ радиоволн на магнитоориентированных неоднородностях плоскослоистой ионосферы // Радиофи- зика и радиоастрономия. – 2011. – Т. 16, № 1. – C. 33–42. 08. Akasofu S. I. and Chapman S. Solar-Terrestrial Physics. – Oxford: Clarendon Press, 1972. – 901 pp. 09. Кравцов Ю. А., Орлов Ю. И. Геометрическая оптика не- однородных сред. – М.: Наука, 1980. – 304 с. В. Г. Галушко, В. Г. Безродний, О. В. Колосков, А. В. Залізовський Радіоастрономічний інститут НАН України, вул. Червонопрапорна, 4, м. Харків, 61002, Україна ЩОДО МОЖЛИВОГО МЕХАНІЗМУ “ЕФЕКТУ САМОРОЗСІЮВАННЯ” ПОТУЖНИХ ВЧ СИГНАЛІВ В ІОНОСФЕРІ Запропоновано можливе пояснення “ефекту саморозсіюван- ня”, що був виявлений в експериментах зі спостереження за випромінюванням нагрівного стенда EІSCAT у трьох силь- но рознесених у просторі пунктах і полягав у синхронних варіаціях рівнів та допплерівських зсувів частоти (ДЗЧ) сигналів на всіх приймальних позиціях. Зокрема, виконано чисельне моделювання з використанням даних радара неко- герентного розсіювання EІSCAT та показано, що девіації фа- зового шляху на висхідній ділянці траєкторії поширення хвилі накачки могли відігравати визначальну роль у виникненні синхронних варіацій ДЗЧ саморозсіяних сигналів, що спосте- рігалися в експерименті. Крім того, розраховано характери- стики розсіювання ВЧ полів у ракурсному напрямку з ура- хуванням регулярної рефракції в іоносфері та розглянуто умови збудження міжшарового іоносферного хвилеводу в заданому напрямку ракурсно-розсіяними сигналами. Розрахунки виконано методом геометричної оптики у бор- нівському наближенні для анізотропної степеневої моделі спектру випадкових неоднорідностей верхньої іоносфери. Показано, що розглянутий механізм забезпечує практично однакові характеристики розсіювання сигналів у напрямку всіх трьох приймальних пунктів. V. G. Galushko, V. G. Bezrodny, A. V. Koloskov, and A. V. Zalizovski Institute of Radio Astronomy, National Academy of Sciences of Ukraine, 4, Chervonopraporna St., Kharkiv, 61002, Ukraine A POSSIBLE MECHANISM OF THE “SELF-SCATTERING EFFECT” OF POWERFUL HF SIGNALS IN THE IONOSPHERE The paper suggests a possible explanation to the “self-scattering effect” which has been revealed in the experiments on monito- ring the EISCAT heater emissions at three greatly dispersed sites and consisted in synchronous variations in the signal am- plitudes and Doppler frequency shifts as observed at all the receiving positions. In particular, numerical simulations have been performed with the use of data from the EISCAT incohe- rent scatter radar which results show that phase path deviations at the upgoing segment of the pump wave trajectory might play the determinative role in producing synchronous variations in the Doppler frequency shifts of the self-scattered signals ob- served in the experiments. In addition, the characteristics of HF fields scattered in aspect-sensitive directions are determined with allowance for the regular refraction effects in the ionosphere, and a condition for excitation of the ionospheric interlayer duct channel by HF signals aspect-sensitive scattered in a given direc- tion is analyzed. The geometrical optics calculations are made within the Born approximation for an anisotropic power-law model spectrum of random irregularities of the upper ionosphere. It is shown that the suggested mechanism could provide practi- cally identical HF signal scattering characteristics toward all the three receiving sites. Статья поступила в редакцию 08.05.2012
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99802
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1027-9636
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T15:45:44Z
publishDate	2012
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
record_format	dspace
spelling	Галушко, В.Г. Безродный, В.Г. Колосков, А.В. Зализовский, А.В. 2016-05-03T10:28:19Z 2016-05-03T10:28:19Z 2012 О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере / В.Г. Галушко, В.Г. Безродный, А.В. Колосков, А.В. Зализовский // Радиофизика и радиоастрономия. — 2012. — Т. 17, № 2. — С. 112-124. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1027-9636 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99802 537.874.4 Предложено возможное объяснение “эффекта саморассеяния”, который был обнаружен в экспериментах по наблюдению излучения нагревного стенда EISCAT в трех сильно разнесенных в пространстве пунктах и заключался в синхронных вариациях уровней и доплеровских смещений частоты (ДСЧ) сигналов на всех приемных позициях. В частности, проведено численное моделирование с использованием данных радара некогерентного рассеяния EISCAT и показано, что девиации фазового пути на восходящем участке траектории распространения волны накачки могли играть определяющую роль в возникновении синхронных вариаций ДСЧ саморассеянных сигналов, наблюдавшихся в эксперименте. Кроме того, рассчитаны характеристики рассеяния ВЧ полей в ракурсном направлении с учетом регулярной рефракции в ионосфере и рассмотрено условие запитки межслоевого ионосферного волновода в заданном направлении ракурсно-рассеянными сигналами. Расчеты выполнены методом геометрической оптики в борновском приближении для анизотропной степенной модели спектра случайных неоднородностей верхней ионосферы. Показано, что рассмотренный механизм обеспечивает практически одинаковые характеристики рассеяния сигналов в направлении всех трех приемных пунктов. Запропоновано можливе пояснення “ефекту саморозсіювання”, що був виявлений в експериментах зі спостереження за випромінюванням нагрівного стенда EІSCAT у трьох сильно рознесених у просторі пунктах і полягав у синхронних варіаціях рівнів та допплерівських зсувів частоти (ДЗЧ) сигналів на всіх приймальних позиціях. Зокрема, виконано чисельне моделювання з використанням даних радара некогерентного розсіювання EІSCAT та показано, що девіації фазового шляху на висхідній ділянці траєкторії поширення хвилі накачки могли відігравати визначальну роль у виникненні синхронних варіацій ДЗЧ саморозсіяних сигналів, що спостерігалися в експерименті. Крім того, розраховано характеристики розсіювання ВЧ полів у ракурсному напрямку з урахуванням регулярної рефракції в іоносфері та розглянуто умови збудження міжшарового іоносферного хвилеводу в заданому напрямку ракурсно-розсіяними сигналами. Розрахунки виконано методом геометричної оптики у борнівському наближенні для анізотропної степеневої моделі спектру випадкових неоднорідностей верхньої іоносфери. Показано, що розглянутий механізм забезпечує практично однакові характеристики розсіювання сигналів у напрямку всіх трьох приймальних пунктів. The paper suggests a possible explanation to the “self-scattering effect” which has been revealed in the experiments on monitoring the EISCAT heater emissions at three greatly dispersed sites and consisted in synchronous variations in the signal amplitudes and Doppler frequency shifts as observed at all the receiving positions. In particular, numerical simulations have been performed with the use of data from the EISCAT incoherent scatter radar which results show that phase path deviations at the upgoing segment of the pump wave trajectory might play the determinative role in producing synchronous variations in the Doppler frequency shifts of the self-scattered signals observed in the experiments. In addition, the characteristics of HF fields scattered in aspect-sensitive directions are determined with allowance for the regular refraction effects in the ionosphere, and a condition for excitation of the ionospheric interlayer duct channel by HF signals aspect-sensitive scattered in a given direction is analyzed. The geometrical optics calculations are made within the Born approximation for an anisotropic power-law model spectrum of random irregularities of the upper ionosphere. It is shown that the suggested mechanism could provide practically identical HF signal scattering characteristics toward all the three receiving sites. Авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность проф. Ю. М. Ямпольскому за полезные замечания при обсуждении работы, а также Василию Белею и Майклу Ритвелду за предоставленные данные радара НР EISCAT. Работа выполнена в соответствии с планами НИР “Ятаган-2” (номер госрегистрации 0011U000063) и “Збурення” (номер госрегистрации 0111U003979) при частичной финансовой поддержке партнерского проекта УНТЦ № Р-524. ru Радіоастрономічний інститут НАН України Радиофизика и радиоастрономия Радиофизика геокосмоса О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере Щодо можливого механізму “ефекту саморозсіювання” потужних ВЧ сигналів в іоносфері Possible Mechanism of the “Self-Scattering Effect” of Powerful HF Signals in the Ionosphere Article published earlier
spellingShingle	О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере Галушко, В.Г. Безродный, В.Г. Колосков, А.В. Зализовский, А.В. Радиофизика геокосмоса
title	О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере
title_alt	Щодо можливого механізму “ефекту саморозсіювання” потужних ВЧ сигналів в іоносфері Possible Mechanism of the “Self-Scattering Effect” of Powerful HF Signals in the Ionosphere
title_full	О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере
title_fullStr	О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере
title_full_unstemmed	О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере
title_short	О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере
title_sort	о возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных вч сигналов в ионосфере
topic	Радиофизика геокосмоса
topic_facet	Радиофизика геокосмоса
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99802
work_keys_str_mv	AT galuškovg ovozmožnommehanizmeéffektasamorasseâniâmoŝnyhvčsignalovvionosfere AT bezrodnyivg ovozmožnommehanizmeéffektasamorasseâniâmoŝnyhvčsignalovvionosfere AT koloskovav ovozmožnommehanizmeéffektasamorasseâniâmoŝnyhvčsignalovvionosfere AT zalizovskiiav ovozmožnommehanizmeéffektasamorasseâniâmoŝnyhvčsignalovvionosfere AT galuškovg ŝodomožlivogomehanízmuefektusamorozsíûvannâpotužnihvčsignalívvíonosferí AT bezrodnyivg ŝodomožlivogomehanízmuefektusamorozsíûvannâpotužnihvčsignalívvíonosferí AT koloskovav ŝodomožlivogomehanízmuefektusamorozsíûvannâpotužnihvčsignalívvíonosferí AT zalizovskiiav ŝodomožlivogomehanízmuefektusamorozsíûvannâpotužnihvčsignalívvíonosferí AT galuškovg possiblemechanismoftheselfscatteringeffectofpowerfulhfsignalsintheionosphere AT bezrodnyivg possiblemechanismoftheselfscatteringeffectofpowerfulhfsignalsintheionosphere AT koloskovav possiblemechanismoftheselfscatteringeffectofpowerfulhfsignalsintheionosphere AT zalizovskiiav possiblemechanismoftheselfscatteringeffectofpowerfulhfsignalsintheionosphere

О возможном механизме “эффекта саморассеяния” мощных ВЧ сигналов в ионосфере

Репозитарії

Схожі ресурси