авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Экспериментальные исследования неоднородной структуры и динамики нижней ионосферы земли при воздействии на нее мощным радиоизлучением

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БАХМЕТЬЕВА Наталия Владимировна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕОДНОРОДНОЙ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИКИ НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕЕ МОЩНЫМ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕМ

01.04.03 – радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Нижний Новгород – 2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт»

(ФГБНУ НИРФИ) Министерства образования и науки РФ

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

член-корреспондент ран

Мареев Евгений Анатольевич;

доктор физико-математических наук,

профессор

Грач Савелий Максимович;

доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник

Мясников Евгений Николаевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН), г. Москва

Защита состоится 27 марта 2012 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.161.01 при федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» Министерства образования и науки РФ (ФГБНУ НИРФИ) по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, 25/12а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ НИРФИ

Автореферат разослан 21 февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор физ.-мат.наук А.Н. караштин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованию пространственно-временных вариаций (структуры и динамики) естественных и искусственных плазменных образований в ионосфере Земли радиофизическими методами. Основу диссертации составили экспериментальные исследования нижней ионосферы методом резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях ионосферной плазмы, создаваемых полем мощных радиоволн наземного стенда. На основе измерений характеристик сигналов, рассеянных этими неоднородностями, разработаны и реализованы в ионосферных исследованиях способы определения ряда ионосферных параметров. Изучено влияние спорадических плазменных образований и атмосферных волн на характеристики рассеянных сигналов. Значительное внимание уделено экспериментальным исследованиям неоднородной структуры искусственно возмущенной области ионосферы методами вертикального и наклонного зондирования. Определены параметры искусственных анизотропных неоднородностей и возмущенной области ионосферы при воздействии на нее мощными радиоволнами.

Актуальность темы и предмет исследования

Ионосфера Земли, параметры которой могут сильно изменяться под действием различных возмущений естественного и искусственного происхождения, существенно влияет на эффективность работы информационно-коммуникационных систем. В результате природных климатических явлений (тайфуны, ураганы, выбросы пепла и газов при извержении вулканов), техногенной деятельности человека (производство углекислого газа и других, несвойственных ей компонент – фреонов и хлорсодержащих газов), постоянного воздействия на верхнюю атмосферу солнечного излучения, потоков энергичных частиц, сгорания метеоров, приносящих на Землю миллионы тонн космического вещества в год, состав атмосферы и ее плазменная составляющая испытывают значительные пространственно-временные вариации. По этой причине контроль за состоянием атмосферы Земли и околоземного космического пространства приобретает все большее значение.



Область в атмосфере Земли, труднодоступная для исследования, охватывает интервал высот 50–150 км – области D и E – нижнюю ионосферу. Она обеспечивает взаимодействие термосферы, регулируемой солнечной активностью, и тропосферы, формирующей погоду и климат. Исследование этой во многом переходной области является одной из актуальных задач физики космической плазмы. Движения нейтрального газа на этих высотах могут искажать траектории ракет, здесь происходит сильное торможение космических аппаратов, которые и сами возмущают естественное состояние ионосферы. Для многих практических целей нужно иметь сведения о параметрах атмосферы: ионизации, температуре, плотности, динамике (в частности, ветровом режиме). Кроме того, в нижней ионосфере спорадически образуются тонкие протяженные плазменные образования часто с очень высокими по сравнению с фоновым значениями электронной концентрации, играющие значительную роль в распространении коротких и ультракоротких радиоволн – спорадические слои Е. Эти обстоятельства определяют значимость и актуальность исследований, связанных с измерениями важнейших характеристик нижней ионосферы, ее динамики. Направления исследований ионосферы, связанные с исследованием естественных плазменных образований, спорадического слоя Е, его неоднородной структуры, волновых и турбулентных явлений, являются важнейшими составляющими национальных программ в рамках исследования «космической погоды».

Прямые измерения в нижней ионосфере возможны только с помощью геофизических ракет. Ракета дает высотный разрез измеряемой величины в строго определенном географическом пункте. Все наземные радиофизические методы исследования ионосферы, определения ее параметров основаны на измерении характеристик распространяющихся в ней радиоволн. В настоящее время для исследования нижней ионосферы используются радиолокационное зондирование в диапазоне средних и коротких волн, метод некогерентного рассеяния, метод частичных отражений, акустическое и лазерное зондирование атмосферы, MST радары. Широкое распространение получили оптические методы исследований. В последнее десятилетие развивается метод просвечивания атмосферы в инфракрасном диапазоне. Каждый из указанных методов имеет как свои достоинства, так и определенные ограничения [1*,2*]. В этой связи по-прежнему актуальна разработка новых информативных методов измерений и использование их в практике ионосферных исследований.

Активные эксперименты в космосе, связанные, в том числе, с воздействием на ионосферу мощного радиоизлучения, привели к разработке новых методов диагностики ионосферы, основанных на контролируемом воздействии на нее [3*–5*]. Существенно продвинуться в исследовании нижней ионосферы – области D, области Е с межслоевой E–F впадиной, недоступной исследованию методом вертикального зондирования, позволил новый радиофизический метод, разработанный в ФГБНУ НИРФИ. Метод основан на создании в ионосфере в поле мощной стоячей волны искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы, зондировании их пробными, то есть не влияющими на среду распространения, радиоволнами, приеме сигналов, рассеянных периодической структурой, регистрации их амплитудно-фазовых характеристик, измерении высотно-временных зависимостей. На основе теории образования искусственных периодических неоднородностей (ИПН) разработаны способы определения большого числа характеристик ионосферы [6*]. Принципиально важным моментом в применении этого метода для диагностики ионосферы является зондирование периодической структуры на стадии релаксации искусственных возмущений после окончания воздействия на ионосферу.

Цель работы

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование неоднородной структуры и динамики нижней ионосферы при воздействии на нее мощным высокочастотным радиоизлучением, в том числе:

диагностика нижней ионосферы перспективным методом измерений, основанным на резонансном рассеянии радиоволн на периодических неоднородностях электронной концентрации, создаваемых в поле мощной стоячей радиоволны нагревного стенда;

разработка и реализация новых способов определения характеристик нижней ионосферы: способа определения электронной концентрации на основе создания искусственных периодических неоднородностей с двумя разными пространственными масштабами; способа определения характеристик спорадического слоя Е по времени релаксации рассеянного сигнала;

применение традиционных методов исследования ионосферы, основанных на ее вертикальном и наклонном зондировании, к диагностике искусственных плазменных возмущений, возникающих в ионосфере Земли под действием мощного радиоизлучения, экспериментальное определение параметров возмущений.

Для проведения большинства экспериментальных исследований, связанных с воздействием на ионосферу, использовался уникальный среднеширотный нагревный стенд «Сура». Разработаны способы создания искусственных периодических неоднородностей, организованы короткие трассы наклонного зондирования широтного направления, выработаны режимы воздействия на ионосферу и определения параметров искусственных неоднородностей и невозмущенной ионосферы.

Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами и состоит в следующем.

1. Выполнен объемный цикл экспериментальных исследований нижней ионосферы новым радиофизическим методом, основанным на создании в поле мощной стоячей волны искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы на среднеширотных нагревных стендах «Зименки», «Сура» и низкоширотном стенде «Гиссар»:

---исследованы высотно-временные характеристики сигналов, рассеянных искусственными периодическими неоднородностями, на их основе получены новые сведения об основных параметрах ионосферы и нейтральной атмосферы на высотах 60–120 км;

---впервые проведены регулярные измерения скоростей вертикальных движений в указанном интервале высот, изучены их сезонно-суточные вариации;

---найдены скорости турбулентных движений вблизи высоты турбопаузы.

2. Разработаны новые способы диагностики нижней ионосферы на основе создания искусственных периодических неоднородностей с двумя разными пространственными масштабами. Впервые новым методом проведены измерения электронной концентрации на высотах 90–120 км, получены высотные профили электронной концентрации, проведена их классификация по степени возмущенности регулярной ионосферы.

3. Изучены вопросы влияния спорадического слоя Е на амплитуду и фазу рассеянного сигнала. Выявлена высокая чувствительность метода, использующего ИПН, к обнаружению слабых спорадических слоев. Предложен способ определения массы и концентрации преобладающих положительных ионов в слое Es, основанный на измерении времени релаксации рассеянного сигнала и скорости вертикального движения плазмы.

4. Проанализировано влияние волновых движений в ионосфере на характеристики рассеянных сигналов и параметры ионосферы и нейтральной атмосферы. Обнаружено влияние возмущения от наземного промышленного взрыва при его распространении на высоты 50–80 км по изменению амплитуд сигналов, рассеянных искусственными периодическими неоднородностями, и скорости вертикального движения. Показано, что подобное волновое возмущение приводит к разрушению ИПН.

5. Впервые экспериментально исследованы возмущения электронной концентрации, возникающие в ионосфере под действием мощного радиоизлучения, одновременно методом вертикального зондирования и обратного рассеяния радиоволн на коротких среднеширотных трассах. Показано, что возмущение плазмы распространяется ниже высоты резонансного взаимодействия мощной волны с плазмой на 40–120 км.

Методы и подходы, используемые в диссертации

В экспериментальных исследованиях характеристик нижней ионосферы используются: новый метод резонансного рассеяния радиоволн специально создаваемой квазипериодической структурой – метод резонансного рассеяния радиоволн на ИПН, традиционный метод вертикального зондирования, метод многочастотного наклонного импульсного зондирования возмущенной области ионосферы радиоволнами КВ диапазона. Зондирование ионосферы проводится с использованием современных методов цифровой регистрации и обработки сигналов на основе как оригинальных специально разработанных программ, так и с применением стандартных методик.





Для оценки влияния различных природных факторов на высотно-временные характеристики ионосферных параметров используется большой объем данных, полученных по результатам измерений амплитуды и фазы сигнала, рассеянного периодическими неоднородностями. Такой подход позволяет получать практически одновременно сведения о большом числе ионосферных параметров: скоростях вертикальных и турбулентных движений, электронной концентрации, температуре и плотности нейтральной атмосферы, характеристиках спорадического слоя Е и волновых движений.

Применение специальных режимов воздействия на ионосферу и диагностики возмущений позволяет исследовать параметры возмущений, масштабы неоднородностей, скорости распространения возмущений вниз от высоты отражения мощной волны.

Научное и практическое значение диссертационной работы состоит в следующем.

Реализация в эксперименте метода диагностики регулярной ионосферы на основе создания искусственной квазипериодической структуры показала перспективность его использования для исследований нижней ионосферы, в том числе для регистрации и изучения параметров слабых спорадических плазменных образований, мало доступных другим методам диагностики. Использование нового метода исследования ионосферы с помощью создания искусственных периодических неоднородностей позволяет получать сведения о важнейших параметрах регулярной («естественной») ионосферы методами активного воздействия на нее.

Полученные автором основные результаты являются новыми, они существенно дополняют известные сведения о динамике нижней ионосферы, ее неоднородной структуре как в естественных условиях, так и при возмущении ионосферы мощными радиоволнами.

Результаты, связанные с регистрацией искусственного возмущения на высотах значительно ниже высоты области резонансного взаимодействия мощной волны с ионосферной плазмой, представляют интерес с теоретической точки зрения для исследования механизма передачи возмущения из верхней в нижнюю ионосферу.

Практическая значимость работы состоит в совершенствовании метода резонансного рассеяния радиоволн, его использовании для диагностики нижней ионосферы, в том числе межслоевой E-F впадины, недоступной исследованию традиционным методом вертикального зондирования; в разработке и реализации оригинального способа определения параметров спорадического слоя Е – сорта и концентрации долгоживущих металлических ионов в слое на основе измерения характеристик сигналов, рассеянных ИПН; разработке и применении в исследованиях нижней ионосферы нового метода измерения электронной концентрации, основанного на создании искусственных периодических неоднородностей с двумя разными пространственными масштабами (на двух частотах).

В перспективе объединение метода частичных отражений и метода резонансного рассеяния на ИПН позволит проводить мониторинг нижней ионосферы на высотах 60–120 км с определением большого числа параметров как плазменной, так и нейтральной ее составляющих.

Обоснованность научных положений и выводов, достоверность полученных результатов обусловлены:

теоретическим обоснованием нового метода исследования ионосферы на основе создания искусственных периодических неоднородностей и его экспериментальной проверкой;

повторяемостью результатов в цикле однотипных экспериментов;

использованием апробированных методов исследования ионосферы – вертикального и наклонного зондирования;

применением современных методик регистрации и обработки экспериментальных данных;

статистически значимым объемом данных по измерению параметров ионосферы;

сопоставлением результатов экспериментальных исследований с существующими теоретическими представлениями и с известными результатами других авторов;

экспертными оценками при публикации основных результатов исследований в рецензируемых научных изданиях.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты экспериментальных исследований характеристик рассеянных сигналов и параметров нижней ионосферы методом резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях электронной концентрации.

2. Результаты экспериментальных исследований волновых и турбулентных движений, их роли в вариациях характеристик рассеянных сигналов и параметров нижней ионосферы.

3. Новый способ диагностики нижней ионосферы, заключающийся в создании искусственной периодической структуры с двумя разными пространственными масштабами – двухчастотный способ определения электронной концентрации в Е-области ионосферы.

4. Способ и результаты определения параметров спорадического слоя Е – массы и концентрации преобладающих положительных ионов в слое Es.

5. Результаты экспериментальных исследований искусственных возмущений и параметров искусственных среднемасштабных неоднородностей (с поперечным относительно геомагнитного поля масштабом сотни метров), их динамики методами вертикального и наклонного зондирования на коротких радиотрассах.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на Международных Суздальских симпозиумах URSI по модификации ионосферы мощным излучением (Суздаль, 1986, 1988, 1991; Уппсала, Швеция, 1994; Москва, 1998, 2004, 2007), на XXIII, XXV, XXVI, XXIX Генеральных ассамблеях URSI (Прага, 1990; Лилль, Франция, 1996; Торонто, Канада, 1999; Чикаго, США, 2008), на 30–38 Генеральных ассамблеях COSPAR (Гамбург, Германия, 1994; 1996; Нагойя, Япония, 1998; Линдау, Германия, 2006; Монреаль, Канада, 2008; Бремен, Германия, 2010); на XXV, XXVII Генеральных ассамблеях EGU (Ницца, Франция, 2000, 2002), XXI Генеральной ассамблее IUGG (Боулдер, США, 1995); 1 S-RAMP конференции, Саппоро, Япония, 2000; RF Ionospheric Interaction Workshop (Санта Фе, США, 2003, 2004; Боулдер, США, 2009); на XVI Всесоюзной (Харьков, 1990) и XVII (Ульяновск, 1993), XVIII, XIX (Казань, 1999), XX (Нижний Новгород, 2002), XXI (Йошкар-Ола, 2005), XXII (Ростов-на-Дону – п. Лоо, 2008), XXIII (Йошкар-Ола, 2011) Всероссийских конференциях по распространению радиоволн, Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Конверсия вузов – защите окружающей среды», Екатеринбург. 1994; 14 научной конференции по радиофизике (7 мая 2010 г., Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского), а также регулярно докладывались на семинарах ФГБНУ НИРФИ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 104 работы. Из них 41 статья – в рецензируемых журналах, в том числе 33 – в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ (УФН, Геомагнетизм и аэрономия, Известия ВУЗов. Радиофизика), 5 статей в международных журналах (Radio Science, Journal Atmospheric and Solar Terrestrial Physics, Physics Review Letters, Radio Physics and Radio astronomy), 2 препринта НИРФИ, 56 работ – полные тексты и тезисы докладов в трудах всероссийских и международных конференций.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.