Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов

Проведено численное моделирование доплеровского смещения частоты (ДСЧ) и фактора фокусировки (ФФ) декаметровых радиосигналов, вызванных распространением в ионосфере Земли кноидальных волн концентрации электронов. В качестве модели нелинейных волн выбраны решения эталонного уравнения – уравнения...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Пушин, В.Ф., Черногор, Л.Ф.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина 2009
Теми:	Радиофизика геокосмоса
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/59628
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:	Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов / В.Ф. Пушин, Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2009. — Т. 14, № 2. — С. 150–161. — Бібліогр.: 32 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-59628
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-596282014-04-10T03:01:22Z Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов Пушин, В.Ф. Черногор, Л.Ф. Радиофизика геокосмоса Проведено численное моделирование доплеровского смещения частоты (ДСЧ) и фактора фокусировки (ФФ) декаметровых радиосигналов, вызванных распространением в ионосфере Земли кноидальных волн концентрации электронов. В качестве модели нелинейных волн выбраны решения эталонного уравнения – уравнения Кортевега–де Вриза. Параметры нелинейных волн (относительная амплитуда возмущений концентрации электронов и период) задавались, исходя из результатов наблюдений. Расчеты выполнены для различных частот и поляризаций зондирующей волны, дневной и ночной моделей ионосферы. Показано, что значения ДСЧ и ФФ вполне достаточны для их измерения. Прохождение кноидальных волн приводит к характерным вариациям ДСЧ и ФФ, что позволяет выделить их на фоне других вариаций. Описаны результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных. Из данных наблюдений определены основные параметры кноидальной волны. Виконано числове моделювання доплерівського зсуву частоти (ДЗЧ) і фактора фокусування (ФФ) декаметрових радіосигналів, викликаних поширенням в іоносфері Землі кноїдальних хвиль концентрації електронів. У якості моделі нелінійних хвиль взято розв’язок еталонного рівняння – рівняння Кортевега–де Вріза. Параметри нелінійних хвиль (відносна амплітуда збурень концентрації електронів та період) задавалися на підставі результатів спостережень. Розрахунки виконано для різних частот і поляризацій зондуючої хвилі, денної та нічної моделей іоносфери. Показано,що значення ДЗЧ і ФФ цілком достатні для їх вимірювання. Проходження кноїдальних хвиль призводить до характерних варіацій ДЗЧ і ФФ, що дозволяє розрізнити їх на тлі інших варіацій. Описано результати співставлення розрахункових і експериментальних даних. За даними спостережень визначено основні параметри кноїдальної хвилі. Numerical simulations have been made of decametric wave Doppler shift and a focusing factor due to cnoidal waves of electron concentration progressing in the terrestrial ionosphere. The solutions of the Korteweg–de Vries equationare used to model the nonlinear waves. The nonlinear wave parameters (the relative amplitude of electron concentration disturbances and the period) are determined from observations. Calculations are performed for various sounding frequencies and wave polarizations, for nighttime and daytime ionosphere models. The Doppler shift and the focusing factor are shown to be large enough to be detected. The passage of cnoidal waves gives rise to characteristic Doppler shifts and focusing factors, which permits their detection with other variations in the background. Comparisons between measurement data and calculations are presented. The main characteristics of a cnoidal wave are determined from observations. 2009 Article Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов / В.Ф. Пушин, Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2009. — Т. 14, № 2. — С. 150–161. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/59628 550.388 ru Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Радиофизика геокосмоса Радиофизика геокосмоса
spellingShingle	Радиофизика геокосмоса Радиофизика геокосмоса Пушин, В.Ф. Черногор, Л.Ф. Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов
description	Проведено численное моделирование доплеровского смещения частоты (ДСЧ) и фактора фокусировки (ФФ) декаметровых радиосигналов, вызванных распространением в ионосфере Земли кноидальных волн концентрации электронов. В качестве модели нелинейных волн выбраны решения эталонного уравнения – уравнения Кортевега–де Вриза. Параметры нелинейных волн (относительная амплитуда возмущений концентрации электронов и период) задавались, исходя из результатов наблюдений. Расчеты выполнены для различных частот и поляризаций зондирующей волны, дневной и ночной моделей ионосферы. Показано, что значения ДСЧ и ФФ вполне достаточны для их измерения. Прохождение кноидальных волн приводит к характерным вариациям ДСЧ и ФФ, что позволяет выделить их на фоне других вариаций. Описаны результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных. Из данных наблюдений определены основные параметры кноидальной волны.
format	Article
author	Пушин, В.Ф. Черногор, Л.Ф.
author_facet	Пушин, В.Ф. Черногор, Л.Ф.
author_sort	Пушин, В.Ф.
title	Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов
title_short	Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов
title_full	Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов
title_fullStr	Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов
title_full_unstemmed	Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов
title_sort	эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов
publisher	Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина
publishDate	2009
topic_facet	Радиофизика геокосмоса
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/59628
citation_txt	Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов / В.Ф. Пушин, Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2009. — Т. 14, № 2. — С. 150–161. — Бібліогр.: 32 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT pušinvf éffektyionosfernyhdekametrovyhradiosignalovvyzvannyerasprostraneniemknoidalʹnyhvolnkoncentraciiélektronov AT černogorlf éffektyionosfernyhdekametrovyhradiosignalovvyzvannyerasprostraneniemknoidalʹnyhvolnkoncentraciiélektronov
first_indexed	2025-07-05T10:27:17Z
last_indexed	2025-07-05T10:27:17Z
_version_	1836802363156856832
fulltext	Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №2, с. 150-161 © В. Ф. Пушин, Л. Ф. Черногор, 2009 УДК 550.388 Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов В. Ф. Пушин, Л. Ф. Черногор Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61077, Украина E-mail: Leonid.F.Chernogor@univer.kharkov.ua Статья поступила в редакцию 21 апреля 2008 г. Проведено численное моделирование доплеровского смещения частоты (ДСЧ) и фактора фокусировки (ФФ) декаметровых радиосигналов, вызванных распространением в ионосфере Земли кноидальных волн концентрации электронов. В качестве модели нелинейных волн выбраны ре- шения эталонного уравнения – уравнения Кортевега–де Вриза. Параметры нелинейных волн (относительная амплитуда возмущений концентрации электронов и период) задавались, исходя из результатов наблюдений. Расчеты выполнены для различных частот и поляризаций зонди- рующей волны, дневной и ночной моделей ионосферы. Показано, что значения ДСЧ и ФФ вполне достаточны для их измерения. Прохождение кноидальных волн приводит к характерным вари- ациям ДСЧ и ФФ, что позволяет выделить их на фоне других вариаций. Описаны результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных. Из данных наблюдений определены основные параметры кноидальной волны. Введение В последнее время стало ясно, что каче- ственно новое и более глубокое понимание про- цессов в атмосфере и геокосмосе невозможно без системного подхода к объекту Земля – атмосфера – ионосфера – магнитосфера [1-5]. Этот объект представляет собой открытую динамическую нелинейную систему с много- численными прямыми и обратными связями. Важную роль во взаимодействии подсистем играют волновые процессы. Высокоэнергети- ческие источники генерируют в системе, как правило, нелинейные волны различной физи- ческой природы. Такие волны в настоящее время изучены явно недостаточно, особенно в экспериментальном плане. Волновые возмущения (ВВ) с периодами 10 180T ≈ ÷ мин в ионосфере существуют почти всегда (см., например, [6, 7]). Обычно они ассоциируются с генерацией и распрост- ранением внутренних гравитационных волн (ВГВ) с периодами BT T≥ где BT – период Брента–Вяйсяля [8]. В F-области ионосферы 10 15BT ≈ ÷ мин. Сверху период ВГВ огра- ничен значением 180T ≈ мин. Периоды 180T > мин характеризуют приливные и планетарные волны. Волны в нейтральной атмосфере модулиру- ют концентрацию электронов N в ионосфере. Важно, что относительная амплитуда этих мо- дуляций N N Nδ = Δ может достигать значений 0.3 0.7÷ [6, 7]. Такие волны относятся к нели- нейным [9]. Хорошо известно, что слабонелинейные волны в диспергирующей среде описываются безразмерным эталонным уравнением – урав- нением Кортевега–де Вриза (КдВ) (см., на- пример, [10, 11]): Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн... 151Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №2 0.t x xxx+ + β =v vv v (1) Индексы здесь, как обычно, обозначают про- изводные по времени t и координате x, 0β > – параметр. При ненулевых условиях для функции и ее первых двух производных на бесконечности (для бегущей переменной) стационарное пе- риодическое решение уравнения (1) имеет вид: 2 0( ) cn ( ),mξ = ξ ξv v (2) где ,x utξ = − и – фазовая скорость волны; 0 2 3 ,bξ = β 2 3 ;mb u= −v 2 ,m c u= −v 23 2c u< − – константа; cn( )x – эллиптичес- кий косинус (эллиптическая функция Якоби). Важно, что 0.mb > >v Известно, что при 1mv функция ( )ξv практически не отличает- ся от гармонической функции (косинусоиды). При 1m ≥v функция ( )ξv – периодическая, но явно не гармоническая. Она описывает нели- нейную волну, именуемую кноидальной волной (или кратко – кноидой). Рядом авторов (см., например, [12-16]) теоретически показано, что при определенных условиях в атмосфере могут генерироваться ВГВ в виде кноидальных волн. В силу того что период ВВ обычно существенно превы- шает характерное время релаксации концент- рации электронов (оно порядка сотен секунд), волны в нейтральном газе приводят к модуля- ции N в ионосфере практически по тому же закону. Представляет интерес изучение возмож- ности экспериментального обнаружения и ис- следования проявлений кноидальных волн в ионосферной плазме при помощи высокоча- стотных ( 3 30f = ÷ МГц) доплеровских рада- ров (ионозондов), хорошо зарекомендовав- ших себя при исследовании как линейных (см., например, [17-22]), так и нелинейных ВВ (см., например, [2, 23, 24]). Целью настоящей работы является изло- жение результатов численного моделирования доплеровского смещения частоты (ДСЧ) и фактора фокусировки (ФФ) ионосферных ра- диосигналов декаметрового диапазона, выз- ванных распространением в среде кноидаль- ных волн концентрации электронов, и сравне- ние результатов моделирования с данными наблюдений. Модель среды и возмущения Решение эталонного уравнения КдВ (1) в общем виде, естественно, не содержит па- раметров ВГВ. Насколько известно авторам, такое решение применительно к условиям в ионосфере в литературе отсутствует. В ста- тьях [25, 26] обсуждается возможность суще- ствования уединенной ВГВ и приводится нелинейное уравнение, описывающее такую волну. К сожалению, статья [25] была подверг- нута справедливой критике в работе [27], в ко- торой показана ошибочность полученных ав- торами [25] результатов. Дело в том, что в [25] приведено приближенное решение в виде со- литона, которое не удовлетворяет сделанным вначале исходным предположениям. Кроме того, авторы [25-27] кноидальных волн вооб- ще не исследовали. Авторы настоящей работы пошли другим путем. Мы использовали модельную зависи- мость параметра, характеризующего разность положительной и отрицательной фаз возмуще- ния концентрации электронов, от степени не- линейности. Эта зависимость правильно отра- жает рост разности амплитуд с ростом степе- ни нелинейности. При слабой нелинейности волна возмущения является гармонической, а при большой нелинейности и достаточно большом периоде, как это и должно быть, решение описывает однополярный импульс (солитон). Всеми этими свойствами обладает решение в виде кноиды. Период волны выби- рался исходя из предположения, что частота колебаний не сильно отличается от частоты Брента–Вяйсяля (чтобы заметной была дис- персия). Амплитуда и скорость волнового воз- мущения выбирались в определенном диапа- зоне, при этом предполагалось, что чем боль- ше амплитуда волны, тем быстрее волна дви- жется. Этот факт хорошо известен в теории нелинейных волн [10]. В. Ф. Пушин, Л. Ф. Черногор 152 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №2 Положим, что 0 (1 ),N N= + ϕ где 0N – кон- центрация электронов в невозмущенной ионо- сфере. В соответствии с (2) представим воз- мущающую функцию в виде: 2( ) 2( , ) cn , 1, 1 N z Kz a a a δ ⎛ ⎞⎛ ⎞ϕ ξ = ξ − ≠⎜ ⎟⎜ ⎟− Λ⎝ ⎠⎝ ⎠ где z – высота над поверхностью Земли, Λ – пространственный период кноиды, T u= Λ – временной период кноиды; K – четверть периода эллиптического косинуса. Для ( )N zδ принималась следующая зависимость: 2 0( ) exp .N Nm z zz H ⎛ ⎞−⎛ ⎞δ = δ −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠ Здесь 0z – высота максимума относительно- го возмущения электронной концентрации, 0( ),Nm N zδ = δ Н – полутолщина ионосферного слоя, возмущенного кноидальной волной. Ве- личины ,Nmδ а, Λ, K являются функциями параметра m, характеризующего нелинейность волны, 0 1.m≤ ≤ В качестве модельной зави- симости ( )a m выберем 2( ) (1 ) 2,a m m= − так что (0) 1 2,a = (1) 0.a = Заметная дисперсия ВГВ, а значит и само существование кноидальных волн, имеет мес- то, если Т не сильно отличается от .BT В рас- четах принималось, что 10BT = мин, а 15T = и 30 мин. Таким значениям Т при скоростях 0.45u = и 0.55 км/с соответствовуют длины ВВ 400 и 1000 км. Диапазон изменений Nmδ составлял 0.1 0.5.÷ Полагалось, что 0 220z = км, 80H = км. Параметр нелиней- ности кноиды выбирался из условия 0.5.m ≥ Для меньших значений параметра m кноида мало отличается от гармонической волны (рис. 1). Пространственно-временное распределе- ние электронной концентрации в регулярной ионосфере 0 ( , )N r t задавалось с помощью модели Ching–Chiu [28] по методике, описан- ной в [29]. Расчеты проводились для ночного и дневного состояний ионосферы, вертикаль- ные профили плазменной частоты электронов приведены на рис. 2. При этом критическая частота F2-слоя 0 2f F равнялась 10 и 3 МГц соответственно. Рабочая частота зондирую- щей радиоволны f для дневного времени со- ставляла 4 и 7 МГц, а для ночного – 2.2 МГц. Рис. 1. Профили кноидальной волны: кривая 1 – m 0.1;= кривая 2 – m 0.3;= кривая 3 – m 0.6;= кривая 4 – m 0.9= Рис. 2. Модельные вертикальные профили плазмен- ной частоты электронов при высокой солнечной активности (г. Харьков): 1 – зима, день; 2 – зима, ночь. Эффективное число солнечных пятен равно 100 Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн... 153Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №2 Методика расчета Расчеты характеристик зондирующей ра- диоволны проводились в приближении геомет- рической оптики (ГО) по методике, описанной в [29, 30]. При решении двухточечной краевой задачи для лучевых уравнений в ионосфере, возмущенной кноидальной волной, требуется вычислять эллиптические функции Якоби и их пространственно-временные производные до второго порядка. Для вычисления определяющей тройки эл- липтических функций Якоби: sn( \| ),u m cn( \| ),u m dn( \| )u m – используется процесс арифмети- ко-геометрического среднего (АГС) [31]. Эти функции представляются в виде: 0sn( \| ) sin ,u m = ϕ 0cn( \| ) cos ,u m = ϕ 0 1 2 cosdn( \| ) . cos( ) u m ϕ= ϕ − ϕ Для того чтобы вычислить 0 1 2, и ,ϕ ϕ ϕ процесс АГС формировался по начальным значениям: 0 0 1 0 11, , (где 1 ),= = = = −a b m c m m m 1 1 , 2 i i i a ba − −+= ( )1 21 1 ,i i ib a b− −= 1 1 , 2 i i i a bc − −−= 1, 2, ...,=i L и оканчивался на шаге L, когда величиной Lc можно пренебречь в пределах заданной по- грешности. Значение Lϕ находилось по фор- муле 2LL La uϕ = и затем последовательно вычислялись 1,L−ϕ 2 1 0, ..., ,L−ϕ ϕ ϕ с использованием рекуррент- ной формулы 1 1sin(2 ) sin .L L L L Lc a − −ϕ − ϕ = ϕ (3) В первой четверти периода функции sn( \| )u m решение уравнения (3) относительно неизвес- тного 1L−ϕ имеет вид ( )1 1 arcsin sin . 2 L L L L L c a − − ϕ + ϕ ϕ = Тогда 0sn( \| ) sin ,u m = ϕ 0cn( \| ) cos ,u m = ϕ 0 1 0 cosdn( \| ) . cos( ) u m ϕ= ϕ − ϕ Первые и вторые производные от эллиптичес- ких функций Якоби выражаются через опре- деляющую тройку функций. Четверть периода эллиптического косинуса K определялась по формуле аппроксимации следующим много- членом [28]: ( )40 1 1 4 1( ) ...K m a a m a m= + + + − ( )40 1 1 4 1 1... ln( ) ( ),b b m b m m m− + + + + ε где 8( ) 2 10 .m −ε ≤ ⋅ Значения коэффициентов ,ia ib ( 0, 1, ..., 4)i = приведены в [31]. Методика обработки В предыдущих работах [23, 24] мы прово- дили совместный анализ динамических спект- ров (ДС) и амплитуды биений отраженного от ионосферы ВЧ-сигнала и сигнала опорного ге- теродина. В настоящей работе использовалась методика, которая предполагает выделение главных максимумов ДС и определение их ДСЧ и амплитуды. Для этого предварительно выде- лялись области одномодового сигнала путем визуального анализа ДС. Для уменьшения вли- яния случайных выбросов во временных рядах (ВР) использовалась функция сглаживания с гауссовским ядром с последующим вычис- лением локальных взвешенных средних В. Ф. Пушин, Л. Ф. Черногор 154 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №2 1 1 , 1, 2, ..., , n ij di j di n ij j R f f i n R = = = = ∑ ∑ где ,di dif f – входной и выходной (сглажен- ный) ВР; n – размерность ВР; 2 exp 2 ,i j ij t t R B ⎡ ⎤−⎛ ⎞ ⎢ ⎥= −⎜ ⎟ ⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦ B – полоса сглаживания. Аналогично произво- дилась обработка ВР амплитуд главных мак- симумов ДС. Результаты компьютерного моделирования Результаты расчетов для фиксированных значений ,Nmδ Т, Λ, f и заданных поляризаций зондирующей радиоволны, а также времени суток представлялись в виде зависимостей от времени высоты отражения радиоволны ( ),rz t ДСЧ – ( )df t и ФФ – ( ).F t Влияние крупномасштабных неоднородно- стей на вариации амплитуды поля радиоволны проявляется в первую очередь в виде фокуси- ровки и дефокусировки. Для изучения этих свойств неоднородностей будем пользовать- ся фактором фокусировки 0 20lg ,EF E = где Е и 0E – амплитуды поля в точке наблю- дения для возмущенной и невозмущенной сре- ды соответственно. При этом Е и 0E рассчи- тываются без учета поглощения в ионосфере и для изотропного излучателя. В приближении ГО амплитуда поля радиоволны вычисляется по формуле [32]: 1 2 (0, , )( , , ) (0, , ) , ( , , ) JE E J ε βτ ε β = ε β τ ε β где (0, , )E ε β – напряженность поля падающей волны на границе ионосферы, ( , , )J τ ε β – яко- биан преобразования лучевых координат в прямоугольные декартовы, ε и β – азимут и угол места радиолуча, τ – переменная, опре- деляющая положение точки на луче. Для анализа результатов расчета введем tn – коэффициент наклона кривой ( ),df t как отношение длины интервала с положительной производной d ddf t к длине интервала с от- рицательной производной ДСЧ. В [23] было показано, что для гармонических ВВ 1.tn ≤ Из рис. 3, рис. 5, рис. 7 (средние панели) и рис. 4, рис. 6, рис. 8 (нижние панели) следует, что для кноидальных ВВ с 0Nmδ < коэффи- циент 1.tn ≤ Однако для кноид с 0Nmδ > на- блюдается обратная картина ( 1).tn ≤ Чем боль- ше параметр нелинейности m, тем больше .tn Этот факт позволяет отделить в эксперименте кноидальные волны от гармонических ВВ. Поведение во времени высоты отражения и ФФ радиоволны объясняется достаточно просто. При прохождении положительной фазы кнои- дальной волны над ионозондом высота отра- жения радиоволны уменьшается по сравнению с невозмущенной высотой отражения за счет роста электронной концентрации. При прохож- дении отрицательной фазы ВВ – наоборот (см. рис. 3 – рис. 8, верхние панели). При прохожде- нии “горбов” возмущения над ионозондом для ВВ с 0Nmδ < наблюдается максимум фокуси- ровки, а для 0Nmδ > – максимум дефокуси- ровки (см. рис. 3, рис. 5 и рис. 7, нижние пане- ли). Из-за больших размеров ВВ их фокуси- рующие свойства проявляются слабо. На рис. 4, рис. 6 и рис. 8 не приведены вариации ФФ, так как для кноиды с длиной волны 1000Λ = км максимальное значение ФФ не превышает 0.7 дБ. Расчет параметров приведен для обык- новенной компоненты сигнала. Полученные количественные характеристики радиоволны при прохождении ВВ позволяют оценить пара- метры наблюдаемой кноидальной волны. Проанализируем более детально результа- ты расчетов. Из рис. 3 видно, что в ночное время ва- риации характеристик радиосигнала уже для 0.6m = существенно отличаются от вариаций, свойственных гармоническим возмущениям. Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн... 155Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №2 Естественно, что роль нелинейности еще боль- ше проявляется при 0.9.m = Характер вариа- ций существенно зависит от знака Nmδ – максимального по модулю относительного возмущения электронной концентрации в кноиде, которое определяет высоту “горба” волны. При 0Nmδ > высота отражения ( )rz t смещается в основном вниз примерно на 5 км, а при 0Nmδ < – вверх примерно на 7 км. Величина этих смещений слабо зависит от Рис. 3. Временные вариации высоты отражения радиоволны, ДСЧ и ФФ для ночного времени. Параметры кноиды: 400Λ = км; T 15= мин; Nm 0.2δ = (сплошная кривая), Nm 0.2δ = − (пунктир), Nm 0δ = (точки); m 0.6= (левая панель), m 0.9= (правая панель). Частота радиоволны f 2.2= МГц Рис. 4. Временные вариации высоты отражения радиоволны и ДСЧ для ночного времени. Параметры кноиды: 1000Λ = км; T 30= мин; Nm 0.5δ = (сплошная кривая), Nm 0.5δ = − (пунктир), Nm 0δ = (точки); m 0.6= (левая панель), m 0.9= (правая панель). Частота радиоволны f 2.2= МГц В. Ф. Пушин, Л. Ф. Черногор 156 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №2 значения m. Последнее существенно влияет на величину смещения ( )rz t в противополож- ном направлении, т. е. вверх при 0Nmδ > и вниз при 0Nmδ < (см. рис. 3, верхние панели). При увеличении Nmδ и Λ поведение характерис- тик радиоволны качественно не изменяется (см. рис. 3, рис. 4). Конечно, количественные изменения при этом значительные. Рассмотрим далее вариации характеристик радиоволны в дневное время. Как видно из Рис. 5. Временные вариации высоты отражения радиоволны, ДСЧ и ФФ для дневного времени. Пара- метры кноиды: 400Λ = км; T 15= мин; Nm 0.2δ = (сплошная кривая), Nm 0.2δ = − (пунктир), Nm 0δ = (точки); m 0.6= (левая панель), m 0.9= (правая панель). Частота радиоволны f 4= МГц Рис. 6. Временные вариации высоты отражения радиоволны и ДСЧ для дневного времени. Пара- метры кноиды: 1000Λ = км; T 30= мин; Nm 0.5δ = (сплошная кривая), Nm 0.5δ = − (пунктир), Nm 0δ = (точки); m 0.6= (левая панель), m 0.9= (правая панель). Частота радиоволны f 4= МГц Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн... 157Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №2 рис. 5, их поведение в целом подобно. Имеют место лишь количественные различия. Срав- нение рис. 5 и рис. 7 показывает, что характе- ристики радиоволны существенно изменяются при варьировании частоты зондирующей радио- волны. Так, при увеличении f от 4 до 7 МГц размах max minr r rz z zΔ = − увеличивается от 7 до 14 км, значение df – почти в 3 раза, а фак- Рис. 7. Временные вариации высоты отражения радиоволны, ДСЧ и ФФ для дневного времени. Пара- метры кноиды: 400Λ = км; T 15= мин; Nm 0.2δ = (сплошная кривая), Nm 0.2δ = − (пунктир), Nm 0δ = (точки); m 0.6= (левая панель), m 0.9= (правая панель). Частота радиоволны f 7= МГц Рис. 8. Временные вариации высоты отражения радиоволны и ДСЧ для дневного времени. Параметры кноиды: 1000Λ = км; T 30= мин; Nm 0.5δ = (сплошная кривая), Nm 0.5δ = − (пунктир), Nm 0δ = (точки); m 0.6= (левая панель), m 0.9= (правая панель). Частота радиоволны f 7= МГц В. Ф. Пушин, Л. Ф. Черногор 158 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №2 тор F – более чем в 2 раза. Вариации Nmδ и Λ также приводят к значительным изменени- ям характеристик радиоволн. Сравнивая рис. 5 и рис. 6 можно видеть, что увеличение Nmδ от 0.2 до 0.5 и Λ от 400 до 1000 км приводит к увеличению rz от 7 до 22 км, df – от 0.5 до 0.75 Гц и к уменьшению F от 2.5 до 0.65. Результаты эксперимента В поисках кноидальных волн в ионосфере было обработано 76 экспериментов общей дли- тельностью около 1500 ч, проведенных в те- чение 2000 г. На рис. 9 показаны вариации амплитуды и частоты главного максимума спектра биений, где нормированная сглажен- ная амплитуда обозначена пунктирной кривой, ДСЧ – тонкой кривой и сглаженное ДСЧ – жирной кривой. Рабочая частота – 4 МГц. Для сглаженных кривых интервал сглаживания со- ставлял 3 мин. Дата, местное время (LT), номер канала указаны на на рис. 9 вверху. Ха- рактерным в поведении ДСЧ является такой наклон кривой, что часть периода с положи- тельной производной больше, чем с отрица- тельной. В максимумах ДСЧ наблюдаются минимумы амплитуды биений. Следует от- метить, что подобное поведение параметров сигнала регистрировалось довольно редко. Так, из обработанных данных, относящихся к 2000 г., только в нескольких экспериментах имело место подобное поведение сигнала. Это может быть связано с маскирующим воздей- ствием на сигнал других процессов или с тем, что само явление встречается редко. Сравнение экспериментальной зависимости ( )df t с расчетной позволяет оценить основные параметры кноиды. Они оказались следую- щими: 30T ≈ мин, 1000Λ ≈ км, 50 %,Nmδ ≈ 0.8m ≈ для ДСЧ, приведенного на левой пане- ли рис. 9, и 15T ≈ мин, 400Λ ≈ км, 20 %,Nmδ ≈ 0.9m ≈ для ДСЧ на правой панели. Обсуждение Как уже отмечалось во введении, теорети- ческому исследованию возможности генера- ции кноидальных волн в атмосфере Земли посвящен ряд работ [12-16]. В то же время нам не известны работы, в которых предпри- нимались бы попытки экспериментального об- наружения волн кноидального типа в атмо- сфере и геокосмосе. По-видимому, это обус- ловлено отсутствием результатов компьютер- ного моделирования проявления кноидальных волн в характеристиках радиосигналов. Проведение математического моделирова- ния и привлечение радиофизических методов может помочь обнаружить такие проявления. Дело в том, что именно радиофизические Рис. 9. Временные вариации ДСЧ (тонкая линия), сглаженного ДСЧ (жирная кривая) и амплитуды (пунктир) главного максимума биений ВЧ-сигнала для 18.11.2000 (левая панель) и 19.11.2000 (правая панель). Частота радиоволны f 4= МГц Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн... 159Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №2 методы благодаря известным их достоин- ствам (возможность дистанционного исследо- вания, высокое временное разрешение, прием- лемая погрешность и т. п.) удобны для обна- ружения и изучения проявлений кноидальных волн в атмосфере и геокосмосе. Ориентируясь на конечную цель – обнару- жение и изучение кноидальных волн, – мы выполнили детальное компьютерное модели- рование как самих возмущений, вызываемых в ионосферной плазме прохождением кноидаль- ных волн, так и временных вариаций характе- ристик радиоволн, используемых для дистан- ционного зондирования. Мы не без оснований считали, что для указанной цели подходит метод вертикального доплеровского зондиро- вания [18, 19]. Этот метод хорошо себя заре- комендовал при обнаружении и изучении не- линейных волн пилоообразного и солитоно- подобного типов [23, 24]. В результате компьютерного моделирова- ния получены временные зависимости высо- ты отражения, ДСЧ и ФФ в различное время суток, для различных частот радиоволны и параметров возмущающей среду кноидаль- ной волны. Установлено, что кноидальная вол- на, модулируя концентрацию электронов, при- водит к изменениям коэффициента наклона кри- вой ( ),df t и 1tn < для 0,Nmδ < 1tn > для 0.Nmδ > Коэффициент tn уменьшается (при 0)Nmδ < или возрастает (при 0)Nmδ > с рос- том нелинейности кноидальной волны. Фак- тор фокусировки ( )F t в области фокусирова- ния “уплощается” (и даже образуется “про- вал”) для 0Nmδ > и “обостряется” для 0.Nmδ < Максимальным значениям rz соот- ветствуют 0df ≈ и близкие к максимально- му значению F. Амплитуды вариаций ( )df t и ( )F t достигают 0.5 3÷ Гц и 1 3÷ дБ. Такие вариации можно обнаружить в экспериментах. В то же время амплитуда изменений rz сос- тавляет 7 20÷ км, что выявить с помощью доплеровского радара, находящегося в нашем распоряжении, не удается. Приведенная на рис. 9 (левая панель) экс- периментальная зависимость ( )df t похожа на расчетную зависимость ( )df t (см. рис. 6, правая нижняя панель). Это позволяет с опре- деленной степенью уверенности утверждать, что в эксперименте наблюдалась волна кнои- дального типа. Из сравнения рис. 6 и рис. 9 удалось оценить основные параметры кноиды. Значения этих параметров представляются разумными. Можно надеяться, что проведенные в на- стоящей работе исследования и полученные результаты подскажут другим специалистам направление поиска проявлений кноидальных волн в атмосфере и геокосмосе. Основные результаты 1. Для описания ВВ в ионосфере, вызы- ваемых движением кноидальных волн плот- ности в нейтральной атмосфере, разработана простая математическая модель возмущений электронной концентрации, удобная для чис- ленных расчетов. 2. Разработана и реализована компьютер- ная программа, позволяющая рассчитать вре- менные изменения основных характеристик (высоты отражения, ДСЧ и ФФ) декаметро- вых радиоволн в ионосфере, вызванные про- хождением нелинейных волн концентрации электронов кноидального типа. 3. Проведено детальное компьютерное моделирование, направленное на изучение временных вариаций основных характеристик радиоволн в ионосфере, обусловленных моду- ляцией концентрации электронов кноидальны- ми волнами плотности в атмосфере. Проана- лизированы зависимости этих вариаций от времени суток, рабочей частоты радиоволны и основных параметров кноиды. 4. Установлено, что временные вариации характеристик радиоволн имеют свои особен- ности, которые позволяют выделять ВВ, выз- ванные прохождением волн концентрации элект- ронов кноидального типа. А именно: во-первых, коэффициент наклона кривой ( )df t больше еди- ницы для кноид с 0Nmδ > и, во-вторых, вариа- ции амплитуды биений сигнала “уплощаются” в области дефокусировки и “обостряются” в об- ласти фокусировки для кноид с 0Nmδ < и наобо- рот для 0Nmδ > (при этом для кноид с 0Nmδ < эффект выражен более резко). С ростом нели- нейности волны эти особенности усиливаются. 5. Впервые экспериментально выявлены ВВ, которые по своим характеристикам похо- В. Ф. Пушин, Л. Ф. Черногор 160 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №2 жи на теоретически рассчитанные ВВ, выз- ванные прохождением кноидальных волн в ионосфере. 6. Сравнение результатов наблюдений и математического моделирования позволило оценить параметры кноид (знак возмущения концентрации электронов, период, параметр нелинейности и продолжительность возмуще- ния). Для сильнейшей из них оказалось, что 50 %,Nmδ ≈ 0.8,m≈ 30T ≈ мин и 1000Λ ≈ км. Литература 1. Черногор Л. Ф. Геокосмосфера – открытая дина- мическая нелинейная система // Вісник Харківсь- кого університету. Радіофізика та електроніка. – 2002. – № 570, вип. 2. – С. 175 – 180. 2. Черногор Л. Ф. Земля – атмосфера – геокосмос как открытая динамическая нелинейная система // Косміч- на наука і технологія. – 2003. – Т. 9, №5/6. – С. 96-105. 3. Черногор Л. Ф. Физика Земли, атмосферы и геокос- моса в свете системной парадигмы // Радиофизика и радиоастрономия. – 2003. – Т. 8, №1. – С. 59-106. 4. Черногор Л. Ф. “Земля – атмосфера – ионосфера – магнитосфера” как открытая динамическая нелиней- ная физическая система. 1 // Нелинейный мир. – 2006. – Т. 4, № 12. – С. 655-697. 5. Черногор Л. Ф. “Земля – атмосфера – ионосфера – магнитосфера” как открытая динамическая нелиней- ная физическая система. 2 // Нелинейный мир. – 2007. – Т. 5, №4. – С. 198-231. 6. Бурмака В. П., Таран В. И., Черногор Л. Ф. Волно- вые процессы в ионосфере в спокойных и возму- щенных условиях. 1. Результаты наблюдений на харь- ковском радаре некогерентного рассеяния // Геомаг- нетизм и аэрономия. – 2006. – Т. 46, №2. – С. 193-208. 7. Бурмака В. П., Таран В. И., Черногор Л. Ф. Волно- вые процессы в ионосфере в спокойных и возму- щенных условиях. 2. Анализ результатов наблюде- ний и моделирование // Геомагнетизм и аэроно- мия. – 2006. – Т. 46, №2. – С. 209-218. 8. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере.– М.: Мир, 1978. – 532 с. 9. Бурмака В. П., Таран В. И., Черногор Л. Ф. Результа- ты исследования волновых возмущений в ионосфе- ре методом некогерентного рассеяния // Успехи со- временной радиоэлектроники. – 2005. – №3. – С. 4-35. 10. Заславский Г. М., Сагдеев Р. З. Введение в нели- нейную физику. – М.: Наука, 1988. – 368 с. 11. Лазоренко О. В., Лазоренко С. В., Черногор Л. Ф. Вейвлет-анализ нелинейных волновых процессов // Успехи современной радиоэлектроники. – 2005. – №10. – С. 3-21. 12. Shen M. C. Solitary waves in an atmosphere with arbitrary winds and density profiles // Phys. Fluids. – 1966. – Vol. 9, No. 10. – P. 105-111. 13. Сохов Т. З., Гутман Л. Н. О мезометеорологичес- ких уединенных волнах // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. – 1968. – Т. 4, №3. – С. 271-282. 14. Афашасов М. С. Расчет нелинейных внутренних волн в двухслойной атмосфере // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. – 1970. – Т. 6, №8. – С. 763-770. 15. Леонов А. И., Миропольский Ю. З. К теории нели- нейных внутренних волн установившегося вида // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. – 1975. – Т. 11, №5. – С. 491-502. 16. Пелиновский Е. Н., Романова Н. Н. Нелинейные стационарные волны в атмосфере // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. – 1977. – Т. 13, №11. – С. 1169-1174. 17. Намазов С. А. Доплеровское смещение частоты при ионосферном распространении декаметровых радиоволн (обзор) // Изв. вузов. Радиофизика. – 1975. – Т. 18, №4. – С. 473-500. 18. Афраймович Э. Л. Интерференционные мето- ды радиозондирования ионосферы. – М.: Наука, 1982. – 198 с. 19. Костров Л. С., Розуменко В. Т., Черногор Л. Ф. Доплеровское радиозондирование естественно- возмущенной средней ионосферы // Радиофизика и радиоастрономия. – 1999. – Т. 4, №3. – С. 209-226. 20. Костров Л. С., Розуменко В. Т., Черногор Л. Ф. Доплеровское радиозондирование возмущений в средней ионосфере, сопровождающих старты и полеты космических аппаратов // Радиофизика и радиоастрономия. – 1999. – Т. 4, №3. – С. 227-246. 21. Бурмака В. П., Костров Л. С., Черногор Л. Ф. Стати- стические характеристики сигналов доплеровского ВЧ радара при зондировании средней ионосферы, возмущенной стартами ракет и солнечным терми- натором // Радиофизика и радиоастрономия. – 2003. – Т. 8, №2. – С. 143-162. 22. Бочкарев В. В., Петрова И. Р., Теплов В. Ю. Эффекты магнитной бури 29 – 31 октября 2003 г. на среднеширотных КВ-радиотрассах (по данным доплеровских измерений) // Космические исследо- вания. – 2004. – Т. 42, №6. – С. 640-644. 23. Пушин В. Ф., Тырнов О. Ф., Черногор Л. Ф. Моде- лирование вариаций характеристик радиосигналов ионозондов декаметрового диапазона, вызываемых движением нелинейных внутренних гравитацион- ных волн в атмосфере Земли // Успехи современ- ной радиоэлектроники. – 2006. – №7. – С. 18-27. 24. Пушин В. Ф., Черногор Л. Ф. Эффект Доплера ионосферных радиосигналов, вызванный распрост- ранением нелинейной уединенной волны плот- ности // Электромагнитные волны и электронные системы. – 2007. – №1. – С. 33-40. Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн... 161Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №2 25. Савина О. И., Ерухимов Л. М. О возможности существования уединенной внутренней гравитаци- онной волны в безграничной изотермической ат- мосфере // Геомагнетизм и аэрономия. – 1981. – Т. 21, №4. – С. 679–682. 26. Деминова Г. Ф., Деминов М. Г., Ерухимов Л. М., Савина О. Н., Юдович Л. А. Об уединенной внут- ренней гравитационной волне в области F ионос- феры // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океа- на. – 1982. – Т. 22, №2. – С. 211-215. 27. Данов К. Д. Об одной модели уединенных внут- ренних гравитационных волн в безграничной изо- термической атмосфере // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. – 1989. – Т. 29, №2. – С. 342-344. 28. Chiu Y. T. An impoved phenomenological model of ionospheric density // J. Atmos. Terr. Phys. – 1975. – Vol. 37, No. 10. – P. 1563-1570. 29. Пушин В. Ф., Тырнов О. Ф. Синтез доплионог- рамм моностатического зондирования возмущен- ной ионосферы декаметровыми волнами // Вiсник Харкiвського нацiонального унiверситету. Радiо- фiзика та електронiка. – 2004. – №622, вип. 1. – С. 64-68. 30. Pushin V. F., Kostrov L. S. 3-D ray-tracing synthesis of multiparameter ionograms as obtained by digital sound- ers in a disturbed ionosphere // Telecomunications and Radio Engineering. – 1999. – Vol. 53, No. 2. – P. 58-64. 31. Справочник по специальным функциям. – М.: Наука, 1979. – 830 с. 32. Кравцов Ю. А., Орлов Ю. И. Геометрическая оп- тика неоднородных сред. – М.: Наука, 1980. – 304 с. Ефекти іоносферних декаметрових радіосигналів, викликані поширенням кноїдальних хвиль концентрації електронів В. Ф. Пушин, Л. Ф. Чорногор Виконано числове моделювання доплері- вського зсуву частоти (ДЗЧ) і фактора фо- кусування (ФФ) декаметрових радіосигналів, викликаних поширенням в іоносфері Землі кноїдальних хвиль концентрації електронів. У якості моделі нелінійних хвиль взято розв’я- зок еталонного рівняння – рівняння Кортеве- га–де Вріза. Параметри нелінійних хвиль (відносна амплітуда збурень концентрації елек- тронів та період) задавалися на підставі ре- зультатів спостережень. Розрахунки виконано для різних частот і поляризацій зондуючої хвилі, денної та нічної моделей іоносфери. Показано, що значення ДЗЧ і ФФ цілком достатні для їх вимірювання. Проходження кноїдальних хвиль призводить до характерних варіацій ДЗЧ і ФФ, що дозволяє розрізнити їх на тлі інших варіацій. Описано результати співставлення розрахункових і експериментальних даних. За даними спостережень визначено основні параметри кноїдальної хвилі. The Ionospheric Effects that Cnoidal Electron Density Waves Have on Decametric Radio Signals V. F. Pushin and L. F. Chernogor Numerical simulations have been made of decametric wave Doppler shift and a focusing factor due to cnoidal waves of electron concent- ration progressing in the terrestrial ionosphere. The solutions of the Korteweg–de Vries equa- tion are used to model the nonlinear waves. The nonlinear wave parameters (the relative ampli- tude of electron concentration disturbances and the period) are determined from observations. Calculations are performed for various sounding frequencies and wave polarizations, for night- time and daytime ionosphere models. The Dop- pler shift and the focusing factor are shown to be large enough to be detected. The passage of cnoidal waves gives rise to characteristic Dop- pler shifts and focusing factors, which permits their detection with other variations in the back- ground. Comparisons between measurement data and calculations are presented. The main char- acteristics of a cnoidal wave are determined from observations.

Эффекты ионосферных декаметровых радиосигналов, вызванные распространением кноидальных волн концентрации электронов

Репозитарії

Схожі ресурси