Способ определения скорости турбулентного движения плазмы в мезосфере и нижней термосфере
METHOD FOR DETERMINING SPEED OF PLASMA TURBULENT MOVEMENT IN MESOSPHERE AND BOTTOM THERMOSPHERE

Изобретение относится к области геофизики, в частности к дистанционным способам измерения параметров мезосферы и нижней термосферы (высоты 80-120 км), и предназначено для улучшения высотно-временного разрешения и повышения точности определения скорости турбулентного движения плазмы.
Изобретение может быть использовано для изучения динамических процессов, происходящих в верхней атмосфере Земли, с целью исследования взаимодействия между мезосферой и термосферой, прогнозирования последствий активных экспериментов в нижней ионосфере Земли и коррекции существующих моделей атмосферы.
Известен оптический ракетный способ измерения параметров турбулентности и вертикальной скорости ветра в диапазоне высот 20-120 км, основанный на оптических наблюдениях за эволюцией искусственных светящихся или дымовых облаков, создаваемых в верхней атмосфере Земли при полете метеорологических ракет (Андреева Л.А., Клюев О.Ф., Портнягин Ю.И., Хананьян А.А. Исследование процессов в верхней атмосфере методом искусственных облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 174 с.). Недостатком этого способа является требование определенных погодных условий и невозможность проводить массовые наблюдения. Способ может быть реализован только в определенные периоды времени, когда отсутствует сильная облачность, когда искусственное облако освещено солнцем, а пункты наблюдения находятся в темноте.
Известен радиолокационный способ измерения параметров турбулентности, заключающийся в наблюдении распределения плотности диполей в облаке легких дипольных радиоотражателей, создаваемых на заданной высоте с помощью ракет SU 171444 (Кокин Г.А., Пахомов С.В. Турбулентный режим области D зимой 1983-1984 гг. - Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26. №5. С. 714-717). Недостатком этого способа является ограничение по высоте 75 км и большой разброс получаемых результатов измерений.
Известен метод исследования турбулентных параметров с помощью ракетных масс-спектроскопических измерений нейтрального состава атмосферы, который дорог в эксплуатации и не позволяет проводить массовые наблюдения.
Существует способ определения характеристик турбулентных областей в мезосфере, действие которого основано на излучении в ионосферу зондирующих радиоимпульсов и приеме радиоимпульсов, обратно рассеянных естественными неоднородностями ионосферной плазмы, измерении высотных зависимостей амплитуды обратно рассеянных радиоимпульсов (Schlegel К., Brekke A. and Haug A. Some characteristics of the quiet polar D-region and mesosphere obtained with the partial reflection method. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1977, Vol. 40, No 2, pp. 205-213). По расположению максимумов на высотной зависимости амплитуды принимаемого радиоимпульса определяют высоты турбулентных областей.
Существенным недостатком данного способа является необходимость усреднения экспериментальных данных вследствие большой изменчивости амплитуды обратно рассеянного сигнала, обусловленной случайным характером сигнала, рассеянного естественными неоднородностями, что увеличивает время измерения до десятков минут. Кроме того, максимумы в высотной зависимости амплитуды обратно рассеянного сигнала могут появляться не только на тех высотах максимальной турбулентности, но и на высотах, где имеется резкий градиент электронной концентрации. Указанное обстоятельство уменьшает достоверность обнаружения турбулентных областей.
В качестве прототипа взят способ определения высот турбулентных слоев в нижней ионосфере SU 1723902, заключающийся в излучении в ионосферу зондирующего импульса, приеме сигнала, обратно рассеянного неоднородностями ионосферной плазмы, определении высотной зависимости амплитуды обратно рассеянного сигнала и определении по ней высот турбулентных слоев. В этом способе цель достигается за счет предварительного воздействия на ионосферу мощным радиоизлучением, в результате которого возникает искусственная периодическая структура неоднородностей ионосферной плазмы, имеющих наименьшую интенсивность на высотах, где существуют интенсивные турбулентные слои. Существенным недостатком данного способа является неоднозначность определения высот турбулентных слоев, связанная с тем, что причиной появления минимумов амплитуды, наряду с влиянием атмосферной турбулентности, является перераспределение по высоте химических компонент воздуха, приводящее к прекращению условий образования искусственных периодических неоднородностей и уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала вплоть до уровня помех, что снижает достоверность определения высот турбулентных слоев.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение высотно-временного разрешения и повышение точности определения турбулентной скорости.
d
d
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе определения скорости турбулентного движения плазмы в мезосфере и нижней термосфере, включающем формирование искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте выше критической частоты для F-слоя и ниже критической частоты для F-слоя, излучение в ионосферу зондирующих радиоимпульсов по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поляризацией, прием сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, определение высотной зависимости времени релаксации обратно рассеянного сигнала, измеряют амплитуду сигнала, рассеянного сформированными возмущающим радиоизлучением периодическими неоднородностями на исследуемой высоте h. По уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в е раз на каждой высоте h определяют время релаксации неоднородностей τ(h), которое в отсутствие турбулентных движений обусловлено амбиполярной диффузией с характерным диффузионным временем релаксации τ(h). По разности измеренного τ(h) и диффузионного τ(h) времен релаксации обратно рассеянного сигнала определяют скорость турбулентного движения.
Способ может быть реализован с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг. 1.
Устройство, реализующее способ определения скорости турбулентного движения, содержит задающий генератор 1 для формирования непрерывного синусоидального сигнала, передатчик 2 с антенной 3 для излучения в зенит возмущающего ионосферу радиоизлучения с созданием искусственных периодических неоднородностей, передатчик 4 с антенной 5 для излучения в зенит радиоимпульсов, зондирующих периодические неоднородности, приемник 6 с антенной 7 для приема обратно рассеянных периодическими неоднородностями сигналов, регистратор 8 для измерения амплитуды обратно рассеянного сигнала и синхронизатор 9 для управления регистратором 8.
Способ измерения скорости турбулентного движения осуществляется следующим образом.
1
2
1
2
Воздействуют на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте выше критической частоты E-слоя и ниже критической частоты для F-слоя ионосферы, формируя тем самым в ионосфере периодические искусственные неоднородности ионосферной плазмы от основания ионосферы до высоты максимума F-слоя. Для этого формируют с помощью задающего генератора 1 непрерывный синусоидальный сигнал на частоте ƒ в диапазоне частот ƒ-ƒ (где ƒ и ƒ - критические частоты Е- и F-слоя ионосферы соответственно), поступающий на передатчик 2.
1
С помощью управляемого синхронизатором 9 передатчика 2 с антенной 3 излучают в зенит возмущающее радиоизлучение. Поскольку частота ƒ возмущающего радиоизлучения ниже критической F-слоя ионосферы ƒ, направленное в зенит радиоизлучение частотой ƒ отражается от ионосферы.
После окончания воздействия на ионосферу возмущающего радиоизлучения, т.е. после выключения передатчика 2, излучают в зенит на той же частоте ƒ и с поляризацией, соответствующей поляризации возмущающего радиоизлучения, последовательность зондирующих радиоимпульсов.
Для этого формируют с помощью синхронизатора 9 последовательность импульсов для управления передатчиком 4 и излучают в зенит на частоте ƒ с помощью передатчика 4 с антенной 5 радиоимпульсы, сформированные с помощью задающего генератора 1 и синхронизатора 9.
Принимают с помощью приемника 6 с антенной 7 зондирующие радиоимпульсы, обратно рассеянные периодической структурой искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы, сформированной возмущающим радиоизлучением, которая после выключения передатчика 2 существует в ионосфере в зависимости от частоты возмущающего радиоизлучения в течение нескольких секунд, постепенно разрушаясь (релаксируя). Поскольку частота и поляризация зондирующего радиоимпульса совпадают с частотой и поляризацией возмущающего радиоизлучения, то каждый зондирующий радиоимпульс рассеивается во всем интервале высот от нижней границы ионосферы до высоты его отражения в F-слое.
При приеме с помощью регистратора 8 измеряют высотную зависимость амплитуды обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями сигнала A(h).
Для этого с помощью синхронизатора 9 формируют последовательность стробирующих импульсов для управления регистратором 8. С помощью регистратора 8 измеряют в моменты поступления стробирующего импульса амплитуду обратно рассеянного сигнала, соответствующего высоте h. Задержка стробирующего импульса относительно момента излучения зондирующего импульса определяет высоту h. В процессе зондирования интенсивность искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы уменьшается, при этом уменьшается и амплитуда обратно рассеянного ими сигнала.
По высотному профилю амплитуды обратно рассеянного сигнала определяют время релаксации искусственных периодических неоднородностей по уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в е раз. Определяют скорость турбулентных движений по разности измеренного и диффузионного времен релаксации сигнала обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями.
Физическая основа предлагаемого способа состоит в следующем.
Способ определения турбулентной скорости основан на формировании искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте выше критической частоты для E-слоя и ниже критической частоты для F-слоя, в результате возмущающее радиоизлучение отражается от ионосферы. Вследствие интерференции падающей на ионосферу и отраженной от нее радиоволн во всем пространстве между поверхностью Земли и высотой отражения возмущающего радиоизлучения формируется стоячая радиоволна, возмущающая ионосферную плазму. В периодическом поле мощной стоячей радиоволны происходит неравномерный по высоте нагрев электронной компоненты ионосферной плазмы и ее вытеснение из более нагретых областей в менее нагретые, за счет чего формируются периодические искусственные неоднородности ионосферной плазмы с пониженной концентрацией электронов в пучностях поля стоячей волны и с периодом по высоте L=0,5λ=0,5c/ƒn, где с - скорость света в вакууме, ƒ - частота возмущающего радиоизлучения, n - показатель преломления радиоволны в ионосфере. Искусственные периодические неоднородности образуются во всем интервале высот от нижней границы ионосферы до высоты максимума F-слоя. По окончании воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением сформированные искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы начинают разрушаться (релаксировать). Зондирующий радиоимпульс излучают по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поляризацией, что и возмущающее радиоизлучение, и в это время происходит его рассеяние на релаксирующей периодической структуре на всем интервале высот образования искусственных периодических неоднородностей. Принимая обратно рассеянный сигнал, измеряют амплитуду сигнала, рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, сформированными возмущающим радиоизлучением, на исследуемой высоте h. С течением времени амплитуда рассеянного сигнала уменьшается.
е
im
е
i
i
i
d
im
d
d
t
Время релаксации (разрушения) искусственных периодических неоднородностей, равное времени релаксации обратно рассеянного сигнала τ(h), определяют по уменьшению амплитуды рассеянного сигнала в раз. На высотах мезосферы и нижней термосферы в диапазоне высот 80-120 км релаксация искусственных периодических неоднородностей в отсутствие турбулентных движений (турбулентности) происходит под влиянием амбиполярной диффузии и диффузионное время релаксации выражается формулой  где κ - постоянная Больцмана, ν - частота соударений ионов с молекулами, Т и T - температуры электронов и ионов, равные на указанных высотах температуре молекул Т. Средний молекулярный вес ионов М на указанных высотах близок в среднему молекулярному весу молекул воздуха, равному в указанном интервале высот М=29. Для расчета зависимости диффузионного времени релаксации τ(h) от высоты значения частоты соударений ионов с молекулами ν и температуры молекул Т берут из известных моделей атмосферы или из данных других измерений. На фиг. 2а показана высотная зависимость измеряемого τ(h) времени релаксации сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическим неоднородностями (измеренные значения времени релаксации обозначены точками). Пунктиром обозначена диффузионная зависимость времени релаксации от высоты при разрушении (релаксации) искусственных периодических неоднородностей под действием амбиполярной диффузии, обозначенная как τ(h). По разности измеряемого времени релаксации обратно рассеянного сигнала τ и диффузионного времени релаксации τ определяют турбулентную скорость V по формуле  где K=4π/λ, λ=c/ƒn - длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме. При таком определении турбулентной скорости погрешность ее определения оценивается не более чем в несколько десятков см/с. Разрешение по высоте в данном способе определения скорости турбулентного движения составляет Δh=0,7 км, разрешение по времени Δt=15 с, что значительно лучше других методов исследования турбулентности на высотах мезосферы и нижней термосферы.
Реализуемость данного способа подтверждена в серии экспериментов, проведенных авторами изобретения в 2000-е годы на нагревном стенде СУРА (Нижегородская область). В качестве возмущающего радиоизлучения, создающего искусственные периодические неоднородности, использовались синфазно работающих три передатчика стенда СУРА, каждый мощностью 250 кВт, нагруженные на антенну с коэффициентом усиления G=100. Мощные передатчики нагревного стенда СУРА работали на частоте f=4,7 МГц с вертикальным излучением волны необыкновенной поляризации возмущающего радиоизлучения и с эффективной мощностью излучения ~80-100 МВт в режиме непрерывного излучения в течение 3 секунд с образованием искусственных периодических неоднородностей. По окончании возмущающего радиоизлучения в течение 12 секунд на стадии разрушения (релаксации) искусственных периодических неоднородностей передатчики стенда излучали в течение 12 секунд зондирующие радиоимпульсы длительностью 30 микросекунд и частотой повторения 50 Гц. В качестве приемника обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями сигнала использовался связной приемник Р-250 с расширенной полосой пропускания.
На фиг. 2б приведен пример зависимость от времени турбулентной скорости на высоте 100 км, определенной способом, основанным на создании в ионосфере искусственных периодических неоднородностей и зондировании ее радиоимпульсами той же частоты и поляризации, что и у возмущающего радиоизлучения.