Способ определения коэффициента амбиполярной диффузии в нижней ионосфере Земли Российский патент 2019 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к области геофизики, к способам и устройствам определения параметров нижней ионосферы Земли и предназначено для дистанционного определения коэффициента амбиполярной диффузии в интервале высот 85-130 км.

Изобретение может быть использовано для изучения и мониторинга динамических процессов, происходящих в нижней ионосфере Земли, для определения характеристик диффузионных процессов с целью исследования взаимодействия и энергообмена между нижней и верхней ионосферой, анализа условий распространения в ионосфере естественных и искусственно создаваемых возмущений, моделирования и прогнозирования последствий активных экспериментов в нижней ионосфере Земли.

Существует ряд способов исследования диффузионных процессов и определения параметров диффузии в высотном интервале 85-130 км, принадлежащем к E-области ионосферы. Диффузионные процессы исследуют с помощью лидаров, радаров некогерентного рассеяния, создания искусственных светящихся плазменных облаков (Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.; Шефов H.Н., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Излучение верхней атмосферы Земли - индикатор ее структуры и динамики. М.: ГЕОС, 2006. 741 с.); Рожанский А.А. Эволюция плазменных облаков в ионосфере // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7. №9. С. 109-114.). Каждый из этих методов имеет как свои достоинства, так и существенные ограничения в использовании на высотах нижней ионосферы.

Лидар представляет собой оптический локатор для дистанционного зондирования воздушных и водных сред, активно используемый в средней атмосфере. Он состоит из источника оптического излучения, фотоприемника, системы регистрации и обработки результатов зондирования. В качестве источника оптического излучения используют лазеры. В нижней атмосфере лидары применяют для измерения ряда параметров: влажности, температуры, прозрачности, концентрации газовых и аэрозольных компонентов, скорости ветра, верхней и нижней границ облачности. На ионосферных высотах с помощью лидаров измеряют концентрации ионов и молекул, температуру нейтральных молекул. Использование лидаров ограничено светлым временем суток и высотой, как правило, не превосходящей 90-100 км.

Метод некогерентного рассеяния, использующий соответствующие радары, представляет собой один из наиболее информативных наземных методов исследования ионосферы. В радарах некогерентного рассеяния применяются частоты, значительно превышающие собственные частоты ионосферы. Анализ спектра сигнала, рассеянного на электронах среды, позволяет определить ионную и электронную температуру, содержание ионов, скорость ионного дрейфа, частоту соударений в нижней ионосфере. Распространение метода некогерентного рассеяния ограничено вследствие чрезвычайной сложности используемых технических средств, стоимость измерений сопоставима со стоимостью ракетных и спутниковых экспериментов. В мире существует всего 9 установок этого типа. Значительным недостатком метода некогерентного рассеяния является невысокое разрешение по высоте, которое составляет, как правило, 50-70 км, что не позволяет измерять параметры диффузионных процессов с высокой точностью.

Создание в ионосфере искусственных облаков путем инжекции с борта космического аппарата определенных химических веществ, для чего используются, как правило, парообразные щелочные и щелочноземельные металлы (Дробыжев А.И., Ерин В.А., Пыжов A.M., Рекшинский В.А., Юртаев Е.В. Патент RU 2488265 С2. Способ создания искусственных облаков парообразных щелочных и щелочноземельных металлов в верхней атмосфере Земли и устройство для его осуществления.; Уткин Ю.А., Коротеев А.С., Коба В.В., Романовский Ю.А. Патент RU 2150798 C1. Способ создания светящихся искусственных образований в околоземном космическом пространстве.). Искусственные облака ионизуются излучением Солнца, двигаясь и расплываясь под действием как амбиполярной диффузии, так и в результате влияния электрического и магнитного полей. В результате в ионосфере возникают сложные плазменные образования, наблюдения за которыми можно использовать для исследования ионосферной динамики и структуры электрических полей. Эксперименты с инжекцией химических веществ с борта космического аппарата возможны только с оборудованных полигонов и являются крайне дорогостоящими и эпизодическими, что не позволяет проводить регулярный мониторинг ионосферы.

Известен способ исследования динамики ионосферы на основе измерения 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.; Хананьян А.А. Оценки коэффициента диффузии в средней атмосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 1984. Т. 24. №6. С. 1023-1025.). 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, а также когда искусственное облако освещено Солнцем, а пункты наблюдения находятся в темноте.

Существует способ определения характеристик нижней ионосферы, 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.; Hocking W.K., Vincent R.A. Comparative observation of D-region HF partial reflections at 2 and 6 MHz // Journal of Geophysical Research. 1982. V. 87. No A9. P. 7615-7624.). Данный способ определения характеристик нижней ионосферы, называемый методом частичных отражений, позволяет по расположению максимумов на высотной зависимости амплитуды принимаемого радиоимпульса отделить область турбулентного перемешивания атмосферных газов от области амбиполярной диффузии. Сведения об этом получают также, проводя сравнение высотных профилей амплитуды сигнала, рассеянного естественными неоднородностями ионосферной плазмы при зондировании ионосферы на нескольких частотах. Существенным недостатком данного способа является необходимость усреднения экспериментальных данных вследствие большой изменчивости амплитуды обратно рассеянного сигнала, обусловленной его случайным характером вследствие рассеяния на естественных ионосферных неоднородностях, что увеличивает время измерения до десятков минут. Кроме того, погрешность измерения растет на высотах с резкими градиентами электронной концентрации.

Однако вышеперечисленные способы исследования динамических процессов в ионосфере, определяя многие важные параметры ионосферной плазмы и ее нейтральной компоненты, как правило, не определяют коэффициент амбиполярной диффузии.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является применение дистанционного радиофизического метода определения коэффициента амбиполярной диффузии как метода, значительно снижающего затраты на проведение измерений, предназначенного для улучшения высотно-временного разрешения и повышения точности определения коэффициента амбиполярной диффузии.

Решение поставленной задачи достигается тем, что предлагаемый способ определения коэффициента амбиполярной диффузии в нижней ионосфере включает формирование искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением на двух разных частотах, выше критической частоты для Е-слоя и ниже критической частоты для F-слоя, излучение в ионосферу зондирующих радиоимпульсов по окончании возмущающего воздействия на тех же частотах и с теми же поляризациями, прием сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, измерение амплитуды сигнала, рассеянного сформированными возмущающим радиоизлучением периодическими неоднородностями на исследуемой высоте h в интервале высот 80-130 км, определение высотной зависимости времени релаксации обратно рассеянного сигнала. Время релаксации неоднородностей τ(h) на каждой высоте h определяют по уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в е раз, где число е - это основание натурального логарифма или число Эйлера, являющееся математической константой (И.Н. Бронштейн и К.А. Семендяев. Справочник по математике. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы. 1962, с. 92; Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и таблицами. - М.: Наука, 1979, с. 13).

В монографии (Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Толмачева А.В., Бахметьева Н.В. Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей. - Нижний Новгород. ИПФ РАН. 1999. 155 с.) показано, что время релаксации неоднородностей τ(h), которое в отсутствие спорадических слоев ионизации и атмосферной турбулентности обусловлено амбиполярной диффузией с характерным диффузионным временем релаксации τ_d(h), обратно пропорционально коэффициенту амбиполярной диффузии и квадрату волнового числа возмущающего радиоизлучения. Таким образом, время релаксации сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, зависит от коэффициента амбиполярной диффузии и от длины возмущающей радиоволны или от пространственного масштаба неоднородностей, который, в свою очередь, определяется частотой возмущающего радиоизлучения. Измерение времени релаксации обратно рассеянного сигнала при создании искусственных периодических неоднородностей на двух частотах возмущающего радиоизлучения позволяет определить коэффициент амбиполярной диффузии с высокой точностью при дистанционном зондировании области ионосферы, созданной возмущающим радиоизлучением.

Способ может быть реализован с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг. 1.

Устройство, реализующее способ определения коэффициента амбиполярной диффузии, содержит задающий генератор 1 для формирования непрерывного синусоидального сигнала на частоте ƒ₁, задающий генератор 2 для формирования непрерывного синусоидального сигнала на частоте ƒ₂, передатчик 3 с антенной 4 для непрерывного излучения в зенит возмущающего ионосферу радиоизлучения с созданием искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы, передатчик 5 с антенной 6 для излучения в зенит радиоимпульсов, зондирующих искусственные периодические неоднородности, приемник 7 с антенной 8 для приема обратно рассеянных периодическими неоднородностями радиоимпульсов на частоте ƒ₁ приемник 9 с антенной 10 для приема обратно рассеянных периодическими неоднородностями радиоимпульсов на частоте ƒ₂, регистратор ПКР 11 с персональным компьютером для измерения амплитуды обратно рассеянных радиоимпульсов с приемников 7 и 9, а также для обработки и хранения измеренных значений амплитуды обратно рассеянных радиоимпульсов, по которым определяются, времена релаксации τ₁ на частоте ƒ₁ и τ₂ на частоте ƒ₂, необходимые для определения коэффициента амбиполярной диффузии, синхронизатор ПКС 12 с персональным компьютером для обеспечения временных режимов работы передатчиков 3 и 5 и для управления регистратором ПКР 11.

Способ определения коэффициента амбиполярной диффузии осуществляется следующим образом.

Воздействуют на ионосферу возмущающим радиоизлучением попеременно на частотах ƒ₁ и ƒ₂, которые выше критической частоты E-слоя и ниже критической частоты F-слоя ионосферы, формируя тем самым в ионосфере искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы с разными пространственными масштабами, определяемыми частотами ƒ₁ и ƒ₂, от основания ионосферы до высоты максимума F-слоя. Для этого формируют с помощью задающего генератора 1 непрерывный синусоидальный сигнал на частоте возмущающего радиоизлучения ƒ₁ а с помощью задающего генератора 2 непрерывный синусоидальный сигнал на частоте возмущающего радиоизлучения ƒ₂ в диапазоне частот ƒ_F2-ƒ_E (где ƒ_Е и ƒ_F2 - критические частоты E-слоя и F-слоя ионосферы, соответственно), поступающие на передатчик 3.

С помощью управляемых синхронизатором ПКС 12 задающих генераторов 1 и 2 и передатчика 3 с антенной 4 излучают непрерывно в зенит возмущающее радиоизлучение (мощную радиоволну) попеременно на частотах ƒ₁ и ƒ₂. Это означает, что в первом цикле измерений передатчик 3 излучает мощную радиоволну частотой ƒ₁, в следующем цикле измерений -мощную радиоволну частотой ƒ₂, затем циклы повторяются. Поскольку частоты ƒ₁ и ƒ₂ возмущающего радиоизлучения ниже критической частоты F-слоя ионосферы ƒ_F2, направленное в зенит возмущающее радиоизлучение частотой ƒ₁ или ƒ₂ отражается от ионосферы.

После окончания воздействия на ионосферу возмущающего радиоизлучения, т.е. после прекращения работы передатчика 3, излучают в зенит на той же частоте ƒ₁ или ƒ₂ и с той же поляризацией, которую имело возмущающее радиоизлучение, последовательность зондирующих радиоимпульсов. В первом цикле измерений, когда возмущающее излучение излучается на частоте ƒ₁, зондирующее радиоимпульсы излучаются также на частоте ƒ₁. В следующем цикле измерений, когда возмущающее излучение излучается на частоте ƒ₂, зондирующее радиоимпульсы излучаются также на частоте ƒ₂. Для этого формируют с помощью синхронизатора ПКС 12 последовательность стробирующих импульсов для управления передатчиком 5. Передатчик 5 с антенной 6 в первом цикле измерений излучает в зенит на частоте ƒ₁ радиоимпульсы, сформированные с помощью задающего генератора 1 и синхронизатора ПКС 12. В следующем цикле измерений передатчик 5 с антенной 6 излучает в зенит на частоте ƒ₂ зондирующие радиоимпульсы, сформированные с помощью задающего генератора 2 и синхронизатора ПКС 12. В качестве передатчика 5 может быть использован передатчик 3, переводимый в импульсный режим излучения. Полный цикл измерений, включающий излучение возмущающей радиоволны и зондирующих радиоимпульсов на каждой из частот ƒ₁ и ƒ₂, продолжается 30 секунд - первые 15 секунд на частоте ƒ₁, следующие 15 секунд - на частоте ƒ₂, из них в течение 3 секунд излучается возмущающее излучение, в течение следующих 12 секунд - зондирующие радиоимпульсы.

Принимают с помощью приемника 7 с антенной 8 зондирующие радиоимпульсы на частоте ƒ₁, а с помощью приемника 9 с антенной 10 зондирующие радиоимпульсы на частоте ƒ₂, обратно рассеянные искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, сформированными возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₁ и на частоте ƒ₂, которые после выключения передатчика 3 существуют 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 равенстве частот и поляризаций возмущающего и зондирующего радиоизлучений рассеяние от периодических неоднородностей имеет резонансный характер, то есть зондирующие радиоимпульсы (сигналы) рассеиваются всеми неоднородностями синфазно, что увеличивает амплитуду обратно рассеянного сигнала и, тем самым, повышает точность измерения.

При приеме с помощью регистратора ПКР 11 измеряют высотную зависимость амплитуды сигнала А(h), обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями - А₁(h) на частоте ƒ₁ и A₂(h) на частоте ƒ₂. Для этого с помощью синхронизатора ПКС 12 формируют последовательность стробирующих импульсов для управления регистратором ПКР 11. С помощью регистратора ПКР 11 измеряют в моменты поступления стробирующего импульса амплитуду обратно рассеянного сигнала, соответствующего высоте h₁ на частоте ƒ₁ и высоте h₂ на частоте ƒ₂. Задержка стробирующего импульса относительно момента излучения зондирующего радиоимпульса определяется высотами рассеянного сигнала h₁ и h₂. В процессе зондирования интенсивность искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы с разными пространственными масштабами уменьшается, так как после окончания действия возмущающего излучения они разрушаются (релаксируют), при этом уменьшается и амплитуда зондирующего радиосигнала, обратно рассеянного периодическими неоднородностями.

По высотному профилю амплитуды A(h) обратно рассеянного сигнала, принятого на частоте ƒ₁ и сигнала, принятого на частоте ƒ₂ на каждой высоте h, определяют время релаксации искусственных периодических неоднородностей τ₁ на частоте ƒ₁ и время релаксации искусственных периодических неоднородностей τ₂ на частоте ƒ₂ по характерному уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в е раз, где число е - это основание натурального логарифма или число Эйлера, являющееся математической константой (Бронштейн К.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы. 1962, с. 92; Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и таблицами. - М.: Наука, 1979, с. 13). В результате коэффициент амбиполярной диффузии D определяется по формуле, связывающей его с частотами зондирующих сигналов, временами релаксации рассеянного сигнала и показателями преломления ионосферы на этих частотах.

Физическая основа предлагаемого способа состоит в следующем.

Способ определения коэффициента амбиполярной диффузии основан на формировании искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте, выше критической частоты для F-слоя и ниже критической частоты F-слоя, в результате чего возмущающее радиоизлучение отражается от ионосферы. Вследствие интерференции падающей на ионосферу и отраженной от нее радиоволн во всем пространстве между нижней границей ионосферы (50-60 км) и высотой отражения возмущающего радиоизлучения формируется мощная 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 искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы с пониженной концентрацией электронов в пучностях поля стоячей волны и с пространственным периодом (периодом по высоте), равным L=0,5λ=0,5c/ƒn, где с - скорость света в вакууме, ƒ - частота возмущающего радиоизлучения, n - показатель преломления возмущающей радиоволны в ионосфере, зависящий от концентрации электронов. 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 после этого происходит его рассеяние на релаксирующей периодической структуре на всем интервале высот образования искусственных периодических неоднородностей. При приеме измеряют амплитуду зондирующего радиосигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, сформированными возмущающим радиоизлучением, на исследуемой высоте h. С течением времени амплитуда обратно рассеянного сигнала уменьшается. Время релаксации (разрушения) искусственных периодических неоднородностей τ(h), равное времени релаксации обратно рассеянного сигнала и зависящее от высоты, определяют по уменьшению амплитуды рассеянного сигнала в е раз.

В нижней ионосфере в интервале высот 85-130 км релаксация искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы в отсутствие спорадических слоев ионизации и нейтральной атмосферной турбулентности, которые значительно изменяют высотную зависимость времени релаксации по сравнению с диффузионной, происходит под действием амбиполярной диффузии, в результате чего диффузионное время релаксации неоднородностей, равное времени релаксации рассеянного ими зондирующего радиосигнала выражается формулой (Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Толмачева А.В., Бахметьева Н.В. Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей. - Нижний Новгород. ИПФ РАН. 1999. 155 с.)

где K=4π/λ=4πƒn/с - волновое число возмущающего радиоизлучения, λ=c/ƒn - длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме, с - скорость света в вакууме, ƒ - частота возмущающего радиоизлучения, n - показатель преломления возмущающей радиоволны в ионосфере, D - коэффициент амбиполярной диффузии, равный (Гершман Б. Н. Динамика ионосферной плазмы. М.: Наука, 1974. 256 с.)

В формуле (2) содержатся κ - постоянная Больцмана, М_i - средняя молекулярная масса ионов, ν_im - частота соударений ионов с молекулами, Т_е и T_i - невозмущенные температуры электронов и ионов, равные на указанных высотах температуре нейтральных молекул Т.

Экспериментально коэффициент амбиполярной диффузии D можно определить, создавая искусственные периодические неоднородности на одной частоте ƒ. В этом случае коэффициент амбиполярной диффузии D находится по формуле (1), для чего необходимо знать величину показателя преломления n, который в свою очередь зависит от значения концентрации электронов (Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. - М.: Физматгиз, 1960. 552 с.). Измерение электронной концентрации проводят разными методами, либо восстанавливают из ионограммы вертикального зондирования, получаемой ионозондом (Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.). Однако электронную концентрацию и, тем самым, зависящий от нее показатель преломления n, можно измерить с большей точностью, создавая искусственные периодические неоднородности попеременно на двух частотах ƒ₁ и ƒ₂, (Беликович В.В., Бахметьева Н.В., Калинина Е.Е., Толмачева А.В. Новый способ определения электронной концентрации в E-области ионосферы по временам релаксации искусственных периодических неоднородностей // Известия вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49. №. 9. С. 744-750.). В этом случае точность определения электронной концентрации, а также коэффициента амбиполярной диффузии, повышается.

Из формул (1) и (2) следует, что для неоднородностей с разными пространственными масштабами, определяемыми длинами волн или частотами возмущающего радиоизлучения, времена релаксации обратно рассеянного сигнала различны.

При создании искусственных периодических неоднородностей попеременно на двух частотах ƒ₂ и ƒ₂, измерении амплитуды обратно рассеянного сигнала на этих частотах и определении времени релаксации обратно рассеянного сигнала τ₁ на частоте ƒ₁ и времени релаксации обратно рассеянного сигнала τ₂ на частоте ƒ₂, коэффициент диффузии будет определяться выражением (см. Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Толмачева А.В., Бахметьева Н.В. Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей. - Нижний Новгород. ИПФ РАН. 1999. 155 с.)

Подставляя в формулу (3) выражения волнового числа K₁=4π/λ₁=4πƒ₁n₁/c для возмущающего радиоизлучения на частоте ƒ₁ и волнового числа K₂=4π/λ₂=4πƒ₂n₂/c для возмущающего радиоизлучения на частоте ƒ₂, получим выражение для коэффициента амбиполярной диффузии

Показатели преломления n₁ и n₂ для возмущающего радиоизлучения, создаваемого на частотах ƒ₁ и ƒ₂, определяют в этих же измерениях с помощью создания искусственных периодических неоднородностей на двух частотах ƒ₁ ƒ₂ и измерения электронной концентрации (Беликович В.В., Бахметьева Н.B., Калинина Е.Е., Толмачева А.В. Новый способ определения электронной концентрации в E-области ионосферы по временам релаксации искусственных периодических неоднородностей // Известия вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49. №. 9. С. 744-750.). Другим способом определения показателя преломления является его расчет на основе высотного профиля концентрации электронов, восстанавливаемого по ионограммам вертикального зондирования (Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. - М.: Физматгиз, 1960. 552 с.), которые всегда регистрируются ионозондом в период наблюдений.

Таким образом, определяя времена релаксации обратно рассеянных сигналов τ₁ и τ₂ по уменьшению амплитуд А₁ и А₂ зондирующих радиоимпульсов на частотах ƒ₁ и ƒ₂, рассеянных искусственными периодическими неоднородностями, созданными возмущающим радиоизлучением попеременно на частотах ƒ₁ и ƒ₂, измеряя величины показателей преломления n₁ и n₂, определяют коэффициент амбиполярной диффузии по формуле (4).

Реализуемость данного способа определения коэффициента амбиполярной диффузии подтверждена в серии экспериментов, проведенных авторами изобретения в 2000-е годы на нагревном стенде СУРА (56,1° с.ш; 46,1° в.д.; Нижегородская область). В качестве возмущающего радиоизлучения, создающего искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы попеременно на двух частотах, использовалось радиоизлучение трех синфазно работавших передатчиков стенда СУРА мощностью 250 кВт каждый, нагруженных на антенну с коэффициентом усиления G=100. Мощные передатчики нагревного стенда СУРА синфазно работали попеременно на частотах ƒ₁=4,7 МГц и ƒ₂=5,6 МГц, излучая непрерывно в зенит радиоволны необыкновенной поляризации возмущающего радиоизлучения с эффективной мощностью излучения ~80-100 МВт в течение 3 секунд с образованием искусственных периодических неоднородностей с двумя разными пространственными масштабами, определяемыми частотами ƒ₁ и ƒ₂. После прекращения излучения возмущающего радиоизлучения в течение 12 секунд на стадии разрушения (релаксации) искусственных периодических неоднородностей передатчики стенда излучали в зенит в течение 12 секунд зондирующие радиоимпульсы длительностью 30 мкс и частотой повторения импульсов 50 Гц. В первый цикл измерений общей продолжительностью 15 секунд возмущающее радиоизлучение и зондирующие радиоимпульсы излучались на частоте ƒ₁=4,7 МГц, в следующем цикле измерений общей продолжительностью 15 секунд возмущающее радиоизлучение и зондирующие радиоимпульсы излучались на частоте ƒ₂=5,6 МГц. В качестве приемника сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, использовался связной радиоприемник Р-250 с расширенной до 80 кГц полосой пропускания. Переход с одной частоты на другую осуществлялся с помощью специально разработанного управляющего устройства. В следующих циклах последовательность излучения частот повторялась.

На фиг. 2а показана высотно-временная зависимость амплитуды сигнала А, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, созданными в сеансе 16 час 29 мин 10 с на частоте ƒ₁=4,7 МГц (левая панель) и в сеансе 16 час 29 мин 25 с на частоте ƒ₂=5,6 МГц (правая панель) 4 октября 2006 г.На фиг. 2б показаны высотные зависимости измеренных времени релаксации τ(h) и амплитуды A(h) сигнала, обратно рассеянного искусственными периодическим неоднородностями для сеанса измерений с началом в 16 час 29 мин 10 с 4 октября 2006 г. Точками на фиг. 2б показаны время релаксации τ₂ (h) и амплитуда А₂(h) рассеянного сигнала от искусственных периодических неоднородностей, созданных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₂=5,6 МГц, а кривыми - время релаксации τ₁(h) и амплитуда А₁(h) рассеянного сигнала от искусственных периодических неоднородностей, созданных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₁=4,7 МГц. На фиг. 2б по вертикальной оси отложена действующая высота h в км, а по горизонтальной оси в логарифмическом масштабе - измеренное время релаксации τ в секундах и амплитуда рассеянного сигнала А в децибелах (Бахметьева Н.В., Беликович В.В., Бубукина В.Н., Вяхирев В.Д., Калинина Е.Е., Комраков Г.П., Толмачева А.В. Результаты определения электронной концентрации в Е-области ионосферы по временам релаксации искусственных периодических неоднородностей с разными масштабами // Известия вузов. Радиофизика. 2008. Т. 51. №6. С. 477-485.). Экспериментально и теоретически установленная точность определения коэффициента амбиполярной диффузии определяется высотно-временным разрешением измерений амплитуды и времени релаксации сигнала, рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, которое в реализованном способе составило 1,4 км по высоте и 15 секунд пр времени (Беликович В.В, Н.В. Бахметьева, E.E. Калинина, А.В. Толмачева. Новый способ определения электронной концентрации в Е-области ионосферы по временам релаксации искусственных периодических неоднородностей // Известия вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49. №.9. С. 744-750.; Бахметьева Н.В., Беликович В.В., Толмачева А.В. Исследования ионосферы и нейтральной атмосферы методом создания искусственных периодических неоднородностей на двух частотах // Доклады XXII Всероссийской конференции по распространению радиоволн, 22-26 сентября 2008 г., Ростов-на-Дону-п. Лоо. Труды конференции. Т. 2. С. 129-133.)

Изобретение относится к дистанционным способам измерения параметров нижней ионосферы. Техническим результатом является повышение высотно-временного разрешения и повышение точности определения коэффициента амбиполярной диффузии. Для этого изобретение включает формирование искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы двух различных пространственных масштабов путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением попеременно на двух частотах выше критической частоты для E-слоя и ниже критической частоты для F-слоя, излучение в ионосферу зондирующих импульсов по окончании возмущающего воздействия попеременно на тех же частотах и с той же поляризацией, прием сигналов, обратнорассеянных искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы с двумя разными пространственными масштабами, измерение амплитуды и времени релаксации обратнорассеянных сигналов на каждой из излучаемых частот ƒ₁ и ƒ₂, определение высотной зависимости времени релаксации сигнала, обратнорассеянного сформированными возмущающим радиоизлучением периодическими неоднородностями плазмы на исследуемых высотах h, по уменьшению амплитуды обратнорассеянного сигнала в е раз на каждой высоте определяют время релаксации неоднородностей τ₁(h), сформированных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₁, и время релаксации неоднородностей τ₂(h), сформированных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₂, измеряют показатели преломления n₁ на частоте ƒ₁ и n₂ на частоте ƒ₂ и по формуле определяют коэффициент амбиполярной диффузии на заданной высоте. 1 ил.

Способ определения коэффициента амбиполярной диффузии в нижней ионосфере Земли, характеризующийся тем, что формируют искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы двух различных пространственных масштабов путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением попеременно на двух частотах выше критической частоты для E-слоя и ниже критической частоты для F-слоя, излучают в ионосферу зондирующие радиоимпульсы по окончании возмущающего воздействия попеременно на тех же частотах и с той же поляризацией, осуществляют прием сигналов, обратнорассеянных искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, измеряют амплитуды и времена релаксации обратнорассеянных сигналов на каждой из излучаемых частот, определяют высотную зависимость времени релаксации сигнала, обратнорассеянного сформированными возмущающим радиоизлучением периодическими неоднородностями на исследуемых высотах h, по уменьшению в е раз амплитуды обратнорассеянного сигнала на каждой высоте определяют время релаксации неоднородностей τ₁(h), сформированных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₁, и время релаксации неоднородностей τ₂(h), сформированных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₂, и релаксация которых в нижней ионосфере определяется амбиполярной диффузией, измеряют показатели преломления n₁ на частоте ƒ₁ и n₂ на частоте ƒ₂ и по формуле определяют коэффициент амбиполярной диффузии на заданной высоте.