Способ определения плотности атмосферы на высотах е-слоя ионосферы

 

Изобретение относится к способам исследования атмосферы, в частности к измерению ее плотности на высотах Е-слоя ионосферы. Цель изобретения - ускорение и упрощение реализации способа при заданной точности. Способ заключается в излучении в ионосферу последовательности зондирующих радиоимпульсов, приеме обратно рассеянных неоднородностями ионосферной плазмы радиоимпульсов-и измерении их параметров с последующим вычислением плотности атмосферы. Цель достигается за счет определения плотности атмосферы по результатам измерения высотной зависимости времени релаксации горизонтальных искусственных неоднородностей ионосферной плазмы. 2 ил. SMЈ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 S 13/95

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

j Оi1чg

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (л)

К)

Cd

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ (21) 4797933/09 (22) 28.02.90 (46) 07.05.92. Бюл. М 17 (71) Нижегородский научно-исследовательский радиофизический институт (72) В.В.Беликович, Е.А.Бенедиктов и

А,В.Толмачева (53) 621.396,96 (088,8) (56) Хвостиков И.А. Физика озоносферы и ионосферы.— Ионосферные исследования, М„Изд-во АН СССР, 1963, N. 11, с. 485 — 491.

Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А,А. Физика ионосферы, М.: Наука, 1988, с. 124 — 138, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ .АТМОСФЕРЫ НА ВЫСОТАХ Е-СЛОЯ

ИОНОСФЕРЫ

Изобретение относится к геофизике, в частности кдистанционным способам измерения плотности атмосферы на высотах Еслоя ионосферы (h 100 — 130 км), и может быть использовано для изучения вариаций плотности и уточнения моделей атмосферы в данном высотном интервале.

Известны способы определения высотного распределения плотности атмосферы с помощью метеорологических ракет.

Недостатком таких способов является невозможность проведения большого объема однотипных исследований вследствие как высокой стоимости ракетных пусков, так и необходимости привязки к местонахождению ракетных полигонов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ некогерентного рассеяния радиоволн для определения параметров ионосферной плазмы.

„„Я2„„1732310A1 (57) Изобретение относится к способам исследования атмосферы, в частности к измерению ее плотности на высотах Е-слоя ионосферы. Цель изобретения — ускорение и упрощение реализации способа при заданной точности. Способ заключается в излучении в ионосферу последовательности зондирующих радиоимпульсов, приеме обратно рассеянных неоднородностями ионосферной плазмы радиоимпульсов-и измерении их параметров с последующим вычислением плотности атмосферы. Цель достигается за счет определения плотности атмосферы по результатам измерения высотной зависимости времени релаксации горизонтальных искусственных неоднородностей ионосферной плазмы. 2 ил.

По этому способу излучают зондирующие радиоимпульсы на достаточно высокой частоте и измеряют интенсивность обратнорассеянных флуктуациями электронной концентрации радиоимпульсов и их частотный спектр, На высотах Е-слоя (h >100 мкм) на спектр рассеянных сигналов влияют соударения заряженных и нейтральных частиц в объеме рассеяния. По изменению спектра может быть определена частота соударений ионов с молекуламиИп1, а по ней и плотность нейтральной атмосферы.

Исходя из соотношения

Иа = Pim Nm, где Nm — концентрация нейтральных молекул;

PIm — численный коэффициент, п ропорциональный сечению соударений, /firn=

=0,9х1P "5мзс, определяют плотность р атмосферы, равную

1732310

Поставленная цель достигается тем, что в способе опредения плотности атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы, включающем излучение в ионосферу последовательности зондирующих импульсов, прием обратнорассея н н ых неоднородностя ми ион осферной плазмы радиоимпульсов и измерение их параметров с последующим вычислением плотности атмосферы, формируют периодическую структуру неоднородностеи

Р = Nm m =(V m/Pm ) m, где m — средний молекулярный вес на данной высоте, Использование высоких частот (50—

1500 МГц), существенно превышающих ги- 5 рочастоты и плазменные частоты, упрощает расчеты высоты рассеивающего объема и делает наблюдения надежными независимо от состояния ионосферы.

Однако применение известного спосо- 10 ба связано с рядом затруднений. Очень небольшая величина рассеянного сигнала на высоких частотах требует применения радиолокаторов с высоким потенциалом, Необходимость увеличения отношения 15 сигнал/шум приводит к сужению полосы приемной установки, которая в то же время не должна ограничивать спектральное разрешение ионно-звуковой линии. Эти противоречивые требования приводят к 20 значительному усложнению измерительного комплекса и методики измерений. В частности, для получения хорошей точности (5 — 10 ) измерений в F-области ионосферы требуется накопление s течение 25

10 мин и усреднение по десяткам тысяч реализаций. На высотах Е-слоя ионосферы электронная концентрация (а следовательно, и мощность принимаемых радиоимпульсов) на порядок меньше, чем в F-области, 30 при этом среднеквадратичные ошибки определения температуры здесь возрастают до 30 — 100 /. Для уменьшения статистических погрешностей измерений (до -10 /) на высотах Е-слоя ионосферы способом не- 35 когерентного рассеяния необходимо более длительное (до получаса) время накопления, Поэтому за исключением отдельных задач этот способ не получил широкого применения для диагностики атмосферы на высотах 40

100-130 км. Сложной является и методика обработки данных наблюдений, включающая решение многопараметрической обратной задачи для выделения влияния каждого из ионосферных параметров на ре- 45 зультат измерений.

Цель изобретения — ускорение и упрощение процесса реализации способа при заданной точности, ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей одной из магнитоионных компонент, на частоте выше критической для Е-слоя, но ниже критической для F-слоя ионосферы, зондирующие радиоимпульсы излучают по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поляризацией, измеряют временную зависимость амплитуд сигналов, обратнорассеянных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на исследуемой высоте h.

По уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в! раз находят время релаксации т (h) на этой высоте, а плотность атмосферы p(h) на исследуемой высоте вычисляют по формуле р(ь) — — р — т(п), где k =2 /k

А — длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме; к — постоянная Больцмана;

Т вЂ” температура атмосферы на исследуемой высоте, -15 3 — 1

Jim =0,9-10 м с

На фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа определения плотности атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы; на фиг.2 — временные диаграммы работы при осуществлении предлагаемого способа, Устройство содержит задающий генератор 1, передатчик 2 с антенной 3, передатчик 4 с антенной 5, приемник 6 с антенной

7, регистратор 8 и синхронизатор 9.

Способ осуществляют следующим образом.

Воздействуют на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей одной из магнитоионных компонент на частоте выше критической частоты. Е-слоя, но ниже критической для Fслоя ионосферы, формируя тем самым в ионосфере периодическую структуру искусственных неоднородностей ионосферной плазмы.

Для этого с помощью задающего генератора 1 (фиг.1) формируют непрерывный синусоидальный сигнал на частоте fo, С помощью управляемого синхронизатором 9 передатчика 2 с антенной 3 излучают в зенит возмущающее радиоизлучение, Поскольку частота fo возмущающего радиоизлучения меньше критической частоты F2 слоя ионосферы, направленное в зенит радиоизлучение отражается от

1732310

15

25

35

55 ионосферы. За счет интерференции падающего и отраженного радиоизлучения во всем высотном интервале от уровня Земли до высоты отражения формируется стоячая

BollHB, возмущающая ионосферную плазму.

Возмущающее воздействие стоячей волны проявляется в перераспределении плазмы в поле этой волны и формировании за счет этого в указанном высотном интервале периодической структуры горизонтальных искусственных неоднородностей ионосферной плазмы с периодом L = 0,5, где А— длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме.

После окончания воздействия на ионосферу возмущающего радиоизлучения, т.е. после выключения передатчика 2, на той же частоте fo излучают в зенит последовательность радиоимпульсов с поляризацией, соответствующей поляризации возмущающего радиоизлучения. Для этого с помощью синхронизатора 9 формируют последовательность импульсов для управления передатчиком 4. Излучают в зенит с помощью передатчика 4 с антенной 5 последовательность радиоимпульсов на частоте fo, сформированную с помощью задающего генератора 1 и синхронизатора 9.

Принимают с помощью приемника 6 с антенной 7 радиоимпульсы, обратнорассеянные периодической структурой искусственных неоднородностей ионосферной плазмы. Поскольку частота и поляризация зондирующих радиоимпульсов совпадают с соответствующими характеристиками возмущающего радиоизлучения, то каждый зондирующий радиоимпульс рассеивается во всем интервале высот от нижней границы ионосферы hMVIH до высоты hìÂêñ отражения

F-слоем (фиг.2).

При приеме измеряют временную зависимость амплитуд сигналов, обратнорассеянных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на исследуемой высоте 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 рассеянного сигнала, соответствующего исследуемой высоте. Задержка стробирующего радиоимпульса относительно момента излучения зондирующего радиоимпульса обусловливает исследуемую высоту h(фиг.2)„Зондирование продолжается несколько секунд. При этом интенсивность искусственных неоднородностей ионосферной плазмы уменьшается вследствие диффузии, и в соответствии с этим уменьшается амплитуда обратнорассеянного сигнала.

При этом время релаксации обратнорассеянных радиоимпульсов после окончания возмущающего воздействия обусловлено расплыванием искусственных неоднородностей в Е-слое ионосферы вследствие амбиполярной диффузии

t—

П1 Rim

4 k В (T + Ti )

2л где k = - -, А — длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме,м; л — постоянная Больцмана, к = 1,38 х10 Дж-град

vm — частота соударений ионов с молекулами, с

На этих высотах плазма находится в тепловом равновесии, т.е. температура электронов Те близка к температуре ионов

Ti и молекул Т (Te- Ti =Т), а средний молекулярный вес ионов mi близок к среднему молекулярному весу молекул (в ."л ), По уменьшению амплитуды обратнорассеянного сигнала в е раз находят время релаксации r (h) на исследуемой высоте.

Плотность атмосферы р (h) на этой высоте вычисляют по формуле

p(h) = —, — — нУ;

8.!Г кт где Т вЂ” температура атмосферы на исследуемой высоте

Р;и,. = p g -1 р 15 мз с 1

Температуру Т берут из соответствующих моделей атмосферы или данных других измерений, Формула изобретения

Способ определения плотности атмосферы на высотах F=ñëîÿ ионосферы, включающий излучение в ионосферу последовательности зондирующих радиоимпульсов, прием обратно рассеянных неоднородностями ионосферной плазмы радиоимпульсов и измерение их парамет ров с последующим вычислением плотности атмосферы, отличающийся тем, что, с целью ускорения и упрощения процесса реализации способа при заданной точности, формируют периодическую структуру, неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей одной из магнитоионных компонент, на частоте выше критической для E-слоя, но ниже критической для F-слоя ионосферы, зондирующие радиоимпульсы излучают по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поля1732310 мин мУКс

После С/ооагпепЬностЬ строб вящих иМЛ ЛЬСа8

Фиг. 2

Составитель Б.лугина

Техред М.Моргентал

Корректор Т,Палий

Редактор А. Козориз

Заказ 1582 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ризацией, измеряют временную зависимость амплитуд сигналов обратно рассеянных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на исследуемой высоте h, по умень- 5 шению амплитуд обратно рассеянного сигнала в е раз находят время релаксации t(h) на этой высоте, плотность атмосферы p(h) на исследуемой высоте вычисляют по формуле 5

p(h) — — - — r(h), где К = 2 л/ Л, Л, — длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме; к — постоянная Больцмана;

Т вЂ” температура атмосферы на исследу-15 3 -1 емой высоте,Pim =0,9.10 " м с