Способ определения температуры атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы Советский патент 1992 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к геофизике, в частности к дистанционным способам измерения температуры атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы (hMOO-130 км), и может быть использовано для изучения вариаций температуры и уточнения моделей атмосферы в данном высотном интервале.

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

Недостатком этих способов является невозможность проведения большого числа 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: температур электронов и ионов и частоты электронно-молекулярных соударений. По этому способу излучают зондирующие радио-импульсы на достаточно высокой частоте и измеряют интенсивность обратно- рассеянных флуктуациями электронной концентрации радиоимпульсов и их частотный спектр. В частотном спектре обратно- рассеянных радиоимпульсов выделяют составляющие, соответствующие линиям ионно-звуковых волн. По форме частотного спектра определяют отношение электронной и ионной температур ТеЛП, а по расположению спектральных составляющих - значения температур.Способ применяют с наилучшим эффектом на высотах F-слоя ионосферы, где электронная концентрация достаточно велика и Те Т|.

Использование высоких частот ( 50- 150 МГц), существенно превышающих

VI

GJ

ю со

О Ю

гирочастоты и плазменные частоты, упрощает расчеты высоты рассеивающего объема и делает наблюдения надежными независимо от состояния ионосферы.

Однако применение известного способа связано с рядом затруднений. Очень небольшая величина рассеянного сигнала на высоких частотах требует применения радиолокатора с высоким потенциалом. Необходимость увеличения отношения сигнал/шум приводит к сужению полосы приемной установки, которая в то же время не должна ограничивать спектральное разрешение ионно-звуковой линии. Эти проти- воречивые требования приводят к значительному усложнению измерительного комплекса и методики измерений. В частности, для получения хорошей точности (5-10%) измерений в F-области ионосферы требуется накопление в течение 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, при этом среднеквадратичные ошибки определения температуры здесь возрастают до 30-100%. Для уменьшения статистических погрешностей измерений (до 10%) на высотах Е-слоя ионосферы способом некогерентного рассеяния необходимо более длительное (до получаса) время накопления. Поэтому за исключением отдельных задач этот способ не получил широкого применения для диагностики атмосферы на высотах 100-130 км. Сложной является и методика обработки данных наблюдений, включающая решение многопараметрической обратной задачи для выделения влияния каждого из ионосферных параметров на результат измерений.

Цель изобретения - ускорение и упрощение процесса реализации способа при заданной точности,

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения температуры атмосферы н-а высотах Е-слоя ионосферы, включающем излучение в ионосферу последовательности зондирующих радиоимпульсов, прием обратно рассеянных нео- днородностями ионосферной плазмы радиоимпульсов и измерение их параметров с последующим вычислением температурыатмосферы,формируют периодическую структуру неоднородностей 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

временные зависимости амплитуд сигналов, обратнорассеянных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на высотах hj, hj+i, по уменьшению амплитуды обратнорассеянного сигнала в I раз находят времена релаксации r(hj),r (), температуру атмосферы Т вычисляют по формуле

..

X

hj +1 - hj

In

r(hj-n)- n -(hj -И)

T(hj)-n2(hj)

где m - средний молекулярный вес молекул

атмосферного газа;

g - ускорение свободного падения на высотах Е-слоя ионосферы; Х постоянная Больцмана; n(hj), n(hj+i) - показатели преломления

радиоволн в ионосферной плазме на высотах hj, hj+1.

На фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа определения температуры атмосферы на высотах Е-слоя

ионосферы; на фиг.2 - временные диаграммы работы при осуществлении способа.

Устройство, реализующее способ, 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 F- слоя 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 ионосферы. За счет интерференции падающего и отраженного радиоизлучения во всем высотном интервале от уровня Земли

до высоты отражения формируется стоячая волна, возмущающая ионосферную плазму. Возмущающее воздействие стоячей волны проявляется в перераспределении плазмы в поле этой волны и формировании за счет это- го в указанном высотном интервале периодической структуры горизонтальных искусственных неоднородностей ионосферной плазмы с периодом ,5A, где А -длина волны возмущающего радиоизлучения в среде.

После окончания воздействия на ионосферу возмущающего радиоизлучения, т.е. после выключения передатчика 2, на той же частоте fo излучают в зенит последователь- ность 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, сформированные с помощью задающего генератора 1 и синхронизатора 9.

Принимают с помощью приемника 6 с антенной 7 радиоимпульсы, обратнорассе- янные 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 Ьмин до высоты Ьмакс отражения F-слоем (фиг.2).

При приеме измеряют временные зависимости амплитуд сигналов, обратнорассе- янных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на высотах hj, hj+i.

Для этого с помощью синхронизатора 9 формируют последовательность стробиру- ющих импульсов для управления регистра- тором 8. С помощью регистратора 8 измеряют в моменты поступления строби- рующих импульсов амплитуду сигнала, соответствующего высотам hj и hj+i. При этом задержка стробирующих импульсов относи- тельно момента излучения зондирующего радиоимпульса определяет высоты hj и hj+i (фиг,2). Зондирование продолжается несколько секунд. При этом интенсивность искусственных неоднородностей ионосферной плазмы уменьшается вследствие диффузии, и в соответствии с этим уменьшаются амплитуды обратнорассеянных.сигналов.

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

т ГП| Vim

4K2(Te+Ti)

„ 2я

где К -j-

А -длина волны возмущающего радиоизлучения в среде, м;

%- постоянная Больцмана, % 1.38хЮ 23Дж-град 1;

vim - частота соударений ионов с молекулами, .

На этих высотах плазма находится в тепловом равновесии, т.е. температура электронов Те близка к температуре ионов Т| и молекул (Те Т| Т), а средний мблеку- лярный вес ионов т близок к среднему молекулярному весу молекул m (mi y.m).

По уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в I раз находят времена релаксации t (hj),T (hj+i), а температуру атмосферы Т вычисляют по формуле

т mg hj -и - hj

7

/v

In

r(hj-H ) rr- (hj-ц )

r(hj)) где m - средний молекулярный вес молекул атмосферного газа;

g - ускорение свободного падения на высотах Е-слоя ионосферы;

n(hj), n(hj+i) - показатели преломления радиоволн в ионосферной плазме на высотах hj, hj+i.

Формула изобретения

Способ определения температуры атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы, включающий излучение в ионосферу последовательности зондирующих радиоимпульсов, прием обратно рассеянных неоднородностями ионосферной плазмы радиоимпульсов и измерение их параметров с последующим вычислением температуры 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 Е-слоя, но ниже критической для F-слоя ионосферы, зондирующие радиоимпульсы излучают по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поля- ризацией, измеряют временные

зависимости амплитуд сигналов, обратно- рассеянных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на высотах hj, hj+1, по уменьшению амплитуды обратнорассеянного сигнала в I раз находят времена релаксации т (hj), т (hj+i), температуру атмосферы Т вычисляют по формуле

Т ШЈhj + 1 - hj

Я r(hj+i ) n2- (hj+i )

In

r(hj)-n2(hj)

/:

где m - средний молекулярный вес молекул атмосферного газа;

g - ускорение свободного падения на высотах Е-слоя ионосферы;

%- постоянная Больцмана;

n(hj), n(hj+i) - показатели преломления радиоволн в ионосферной плазме на высотах hj, hj+i.

Vc

V/

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

Г

Редактор А.Козориз

j+1Ьллакс

ПоследоВателЬностЬ строс/ црующих имлУлЬсоё

Фиг.2.

Составитель Б.Лугина Техред М.МоргенталКорректор Т.Палий