Способ определения времени рекомбинации электронов с ионами в Д-области ионосферы Советский патент 1992 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к геофизике, в частности к дистанционным способам измерения параметров D-области ионосферы, и может быть использовано для изучения физики процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы, для прогнозирования распространения радиоволн, ваэрономических исследованиях и т.д.

Известен способ определения времени рекомбинации электронов с ионами, основанный на измерении характерного времени уменьшения возмущений электронной концентрации, созданных естественными

воздействиями на ионосферу. В качестве естественных возмущений используются, в частности, солнечные затмения внезапные ионосферные возмущения, вызванные хро- мосферными вспышками на Солнце. Недостатком использования возмущений, вызванных хромосферными вспышками, является необходимость одновременного измерения потоков ионизирующего излучения с помощью космических аппаратов, а использование возмущений, связанных с солнечными затмениями, затруднено уникальностью этих событий, а также малыми

vj О

ю ю ю о

значениями времени рекомбинации по сравнению с временным масштабом затмения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ, основанный на воздействии на ионосферу возмущающим радиоизлучением в течение времени, достаточного для приращения электронной концентрации, вызванного изменением коэффициента рекомбинации электронов с положительными ионами. По окончании возмущающего воздействия методом частичных отражений измеряют электронную концентрацию в ионосфере. Для этой цели излучают в ионосферу зондирующие радиоимпульсы на частоте порядка несколько МГц с равными амплитудами обыкновенной и необыкновенной маг- нитоионных компонент и принимают радиоимпульсы, рассеянные обратно естественными неоднородностями ионосферной плазмы. При приеме регистрируют амплитуды необыкновенной и обыкновенной компонент, находят их среднеквадратичные значения и отношения этих среднеквадратичных значений, по которым вычисляют временную зависимость концентрации электронов на этой высоте. По изменению приращения электронной концентрации е 2,7 раз определяют время рекомбинации электронов с ионами.

Недостатком способа является то, что его точность определяется точностью измерения приращения электронной концентрации в возмущенных условиях по сравнению с ее значением в невозмущенных условиях. Как показывает практика, это приращение соизмеримо с погрешностью метода частичных отражений, что позволяет лишь весьма приблизительно оценить время рекомбинации электронов с ионами в нижней ионосфере,

Целью изобретения является повышение точности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем воздействие на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей одной из магнитоионных компонент, излучение в ионосферу зондирующих радиоимпульсов, прием сигнала, обратно рассеянного неоднородностями ионосферной плазмы, измерение параметров этих сигналов с последующим расчетом времени рекомбинации, формируют периодическую структуру искусственных неоднородностей ионосферной плазмы воздействием на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте ниже критической для Е-слоя ионосферы. Зондирующие импульсы излучают на частоте и с поляризацией возмущающего радиоизлучения. При приеме в моменты времени, соответствующие различным высотам рассеяния зондирующего

радиоимпульса, измеряют амплитуду или фазу обратно рассеянного сигнала. Изменяют синхронно частоту возмущающего радиоизлучения и зондирующего радиоимпульса и повторяют измерения. По полученной высотной зависимости измеряемого параметра определяют частоту fi, на которой на заданной высоте ho амплитуда обратно рассеянного сигнала имеет нулевое значение или фаза меняет значение на я,

определяют время амбиполярной диффузии Л (fi) на высоте ho, а время рекомбинации Г2 на этой высоте рассчитывается по формуле Т2 0,5 ri (fi).

Предложенный способ основан на

эффекте, заключающемся в том, что при воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением на частоте ниже критической для Е-слоя ионосферы на некоторой высоте не образуются искусственные неоднородности ионосферной плазмы. Это обусловлено конкурирующим действием двух противоположных механизмов образования периодической структуры искусственных неоднородностей ионосферной

плазмы, один из которых обусловлен процессом амбиполярной диффузии, а другой - процессом рекомбинации электронов с ионами. Поскольку характерное время процесса амбиполярной диффузии зависит от

частоты и, кроме того, имеет ярко выраженную высотную зависимость, то определение частоты, при которой на заданной высоте наблюдается указанный выше эффект, позволяет определить время рекомбинации

электронов с ионами на этой высоте.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации разработанного способа; на фиг. 2 - высотные зависимости E2(h) поля стоячих радиоволн, воздействующих на

ионосферу (а), амплитуды Д N(h) искусственных неоднородностей (б), амплитуды A(h) (в) и фазы р (п) (г) обратно рассеянного радиоимпульса.

Устройство, реализующее способ, содержит задающий генератор 1, передатчик 2 с антенной 3, передатчик 4 с антенной 5, приемник 6 с антенной 7, детектор 8, регистратор 9 и синхронизатор 10.

Воздействуют на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей одной из магнитоионных компонент на частоте ниже критической для Е-слоя ионосферы. Для этого формируют с помощью задающего генератора 1 синусоидальный сигнал на частоте f в диапазоне частот fi-f2, где f2 - критическая частота Е-слоя, поступающий на передатчик 2. С помощью управляемого синхронизатором 10 передатчика 2 с антенной 3 излучают в зенит возмущающее радиоизлучение. Поскольку возмущающее воздействие осуществляют на частоте ниже критической для Е-слоя ионосферы, направленное в зенит радиоизлучение отражается от ионосферы. Вследствие интерференции падающей и отраженной радиоволн в пространстве между поверхностью Земли и уровнем отражения образуется стоячая радиоволна (см.фиг.2) с периодом

I -с- L 2fn где с - скорость света;

f - частота возмущающего радиоизлучения;

п - показатель преломления радиоволн в ионосфере.

В периодическом поле стоячей радиоволны из-за неравномерного по высоте нагрева электронного газа плазма вытесняется из более нагретых мест в менее нагретые, за счет чего формируется периодическая структура искусственных неоднородностей электронной плазмы с пониженной концентрацией электронов в пучности поля. Характерное время т этого процесса определяется коэффициентом ам- биполярной диффузии Da и пространственным периодом L стоячей радиоволны:

Т,Одновременно, вследствие температурной зависимости эффективного коэффициента рекомбинации электронов с ионами происходит противоположный процесс повышения электронной концентрации в более нагретые места по сравнению с менее нагретыми. Амплитуда А N (фиг. 26) искусственных неоднородностей, образовавшихся в результате совместного действия указанных механизмов, пропорциональна разности . где у 0.5 - показатель степенной зависимости эффективного коэффициента рекомбинации от электронной температуры. Поскольку коэффициент амбиполярной диффузии Оа.имеет резко выраженную высотную зависимость (его величина уменьшается с понижением высоты), соответственно резко возрастает с понижением высоты характерное время л , В то же время та рекомбинации электронов с ионами относительно слабо по сравнению с Ti изменяется по высоте. Поэтому на некоторой высоте h, где выполняется равенство

Т2 У Г1

амплитуда Д N искусственных неоднородностей ионосферной плазмы становится равной нулю.

Непосредственно после окончания возмущающего воздействия, т.е. после выключения передатчика 2, излучают в зенит на

той же частоте и с поляризацией, соответствующей поляризации возмущающего радиоизлучения, зондирующий радиоимпульс. Для этого формируютс помощью синхронизатора 10 импульс управления передатчиком 4. Излучают в зенит с помощью передатчика 4 с антенной 5 радиоимпульс, сформированный с помощью задающего генератора 1 и синхронизатора 10 на частоте f.

Принимают с помощью приемника 6 с

антенной 7 зондирующий радиоимпульс, обратно рассеянный периодической структурой искусственных неоднородностей ионосферной плазмы, которая после выключения передатчика 1 существует в ионосфере в зависимости от частоты возмущающего радиоизлучения в пределах от 5 до 100 с.

При приеме в моменты времени, соответствующие различным высотам рассеяния зондирующего радиоимпульса периодической структурой искусственных неоднородностей ионосферной плазмы, регистрируют с помощью детектора 8 и регистратора 9 амплитуду или фазу рассеянного

сигнала, получая тем самым высотную зависимость регистрируемого параметра.

Затем изменяют синхронно частоту возмущающего радиоизлучения и зондирующего радиоимпульса с помощью задающего

генератора 1 и указанные действия повторяют.

Амплитуда А обратно рассеянного сигнала пропорциональна абсолютному значению амплитуды Д N искусственных

неоднородностей (фиг. 26, в). Поэтому в случае, когда регистрируемым параметром является амплитуда А, по полученным высотным зависимостям определяют частоту f, при которой на заданной высоте ho.

амплитуда А обратно рассеянного сигнала имеет нулевое значение.

Как видно из фиг. 26, на некоторой высоте знак ДМ в пучностях поля меняется на противоположный, в связи с чем фаза / несущей обратно рассеянного сигнала на этой высоте изменяется на я(фиг. 2г). Поэтому в случае, когда регистрируемым параметром является фаза f. по полученным высотным зависимостям определяют частоту f. при которой на заданной высоте ho имеет место скачок фазы нал, Затем определяют время амбиполярной диффузии л (f) на высоте ho либо по справочным данным, либо по формуле

L ч2 г -1 / с

V27Tj

1(D.-1,

;):

2 Da 1,

М f п тс

где Da - коэффициент амбиполярной диффузии;

f - рабочая частота;

с - скорость света;

п - показатель преломления радиоволн в ионосфере.

После этого время рекомбинации гг электронов с ионами на высоте ho определи- ют из соотношения

Т2 0,5 n (f)

Формула изобретения

Способ определения времени рекомбинации электронов с ионами в D-области ионосферы, включающий воздействие на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей одной из магнитоионных компонент, излучение в ионосферу зондирующих радиоимпульсов, прием сигнала обратно рассеянного нео- днородностями ионосферной плазмы, измерение параметров этих сигналов с последующим расчетом времени рекомбинации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, формируют периодическую структуру искусственных неоднородностей ионосферной плазмы воздействием на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте ниже критической для Е-слоя ионосферы, зондирующие импульсы излучают на частоте и с поляризацией возмущающего радиоизлучения при приеме в моменты времени, соответствующие различным высотам рассеяния зондирующего радиоимпульса, измеряют амплитуду или фазу обратно рассеянного сигнала, изменяют синхронно частоту возмущающего радиоизлучения и зондирующего радиоимпульса и повторяют измерения, по полученной высотной зависимости измеряемого параметра определяют частоту f, на которой на заданной высоте ho амплитуда обратно рассеянного сигнала имеет нулевое значение или фаза меняет значение на п, определяют время амбиполярной диффузии т-| (f) на высоте ho, а время рекомбинации Т2 на этой высоте рассчиты вают по формуле TI 0,5 т- (f).

Изобретение относится к геофизике, в частности к дистанционным способам определения времени рекомбинации электронов с ионами в D-области ионосферы Цель изобретения - повышение точности определения. Способ определения времени рекомбинации электронов с ионами в D-об- ласти ионосферы заключается в создании периодической структуры искусственных неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте ниже критической для Е-слоя ионосферы с поляризацией, соответствующей одной из маг- нитоионных компонент, излучении в ионосферу зондирующих радиоимпульсов на частоте и с поляризацией возмущающего радиоизлучения, измерении амплитуды или фазы обратно рассеянного сигнала, синхронном изменении частоты возмущающего радиоизлучения и зондирующего радиоимпульса и повторении измерений определении по полученной высотной зависимости измеряемого параметра частоты f. на которой на заданной высоте ho амплитуда обратно рассеянного сигнала имеет нулевое значение или фаза меняет значение на h определении времени амбипопярной диффузии л (f) на высоте ho и расчете времени рекомбинации Г2 на этой высоте по формуле Т2 0,5 л (f). 2 ил. сл С

1

J

/vA

1

5

7v7

ГО

8

Фие.1

Э

:

I

«NJ

I