Фрактальная структура плазменной турбулентности среднеширотной верхней ионосферы

На правах рукописи

Выборнов Федор Иванович

Фрактальная структура плазменной турбулентности среднеширотной верхней ионосферы

Специальность 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 Российской

Федерации

Научный консультант: доктор физико-математических наук, старший

научный сотрудник Урядов Валерий Павлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Гавриленко Владимир Георгиевич

доктор физико-математических наук,

профессор Черкашин Юрий Николаевич

доктор физико-математических наук

Иудин Дмитрий Игоревич

Ведущая организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет», г. Казань.

Защита состоится 13 марта 2012 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.161.01 при федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» Министерства образования и науки Российской Федерации по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, д. 25/12а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ НИРФИ.

Автореферат разослан 06 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук Караштин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность задач исследований

Ионосфера Земли – это природная плазменная лаборатория. Ее неоднородная структура является довольно чувствительным индикатором разнообразных естественных и искусственных возмущений, происходящих в атмосфере Земли и околоземном космическом пространстве. Изучение неоднородной структуры электронной концентрации в ионосфере Земли представляют большой интерес как для фундаментальной науки, расширяя наши представления о процессах, происходящих в магнитоактивной плазме, так и для решения чисто прикладных задач, связанных с проблемами трансионосферной связи, навигации, загоризонтной радиолокации и радиоастрономии. Подобные исследования весьма интенсивно проводились учеными разных стран в 60 – 90 гг. прошлого столетия после запуска первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) в 1957 г. После обнаружения в начале 70-х годов степенного характера спектра ионосферной турбулентности большое внимание стало уделяться изучению её спектральных характеристик в различных геофизических условиях, в том числе и при воздействии на ионосферу мощным коротковолновым (КВ) радиоизлучением [1*–3*]. Во всех многочисленных ионосферных исследованиях применялись стандартные методы спектрального анализа флуктуирующих сигналов, пригодные для статистической обработки квазистационарных случайных процессов. Ранее такие же методы применялись и в исследованиях атмосферной турбулентности при зондировании ее электромагнитными и звуковыми волнами. В то же время в этих исследованиях активно использовался и метод структурных функций 2-го порядка для определения асимптотического поведения флуктуаций принимаемого сигнала. В результате был установлен квазистационарный характер случайного процесса рассеяния волн в атмосфере Земли изотропной турбулентностью с практически единственным показателем спектра 11/3, однозначно связанным с единственным показателем структурной функции =2/3 простым соотношением [4*, 5*].

В исследованиях неоднородной структуры ионосферной турбулентности метод структурных функций практически не использовался. Более того, не было выполнено ни одной работы, в которой бы одновременно определялись структурные функции и спектральные характеристики исследуемого случайного процесса рассеяния высокочастотных радиоволн в ионосферной плазме. В результате многочисленных исследований спектров ионосферной турбулентности стандартными методами спектрального анализа флуктуирующих сигналов были зарегистрированы большие (в несколько единиц) вариации показателей этих спектров в зависимости от условий распространения радиоволн в ионосфере, состояния ионосферы, различных геофизических условий наблюдения и т.п. Но поскольку должный контроль за стационарностью исследуемого случайного процесса в этих работах не проводился, то достоверность полученных сведений о спектральных характеристиках мелкомасштабной ионосферной турбулентности (МИТ) вызывает серьезные сомнения. Кроме того, в рамках классического метода радиомерцаний, применявшегося в этих работах, всегда предполагалось равномерное распределение мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в ионосфере. В то же время, результаты уже первых наших экспериментальных исследований перемежаемости МИТ говорят о том, что МИТ имеет неравномерное фрактальное распределение в пространстве [18, 19].

Первые теоретические и экспериментальные исследования мультифрактальной структуры развитой МИТ были выполнены в [17, 20]. С помощью мультифрактального анализа записей амплитуды сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, была продемонстрирована возможность определения неравномерного фрактального распределения мелкомасштабных ионосферных неоднородностей в пространстве. В [20] впервые в исследованиях неоднородной структуры ионосферы было показано, что истинное значение показателя () спектра МИТ, определяемое в результате мультифрактальной обработки записи амплитуды принятого сигнала, может заметно отличаться от его значения (), вычисленного по стандартной методике спектрального анализа для стационарного случайного процесса. Это связано с тем, что в реальных нестационарных условиях рассеяния высокочастотных радиоволн в ионосферной плазме классический метод спектрального анализа радиосигналов не работает и может приводить к существенным ошибкам в определении спектральных характеристик МИТ.

В исследованиях реальной неоднородной структуры ионосферной турбулентности для получения достоверной информации о локальной структуре МИТ как в естественных условиях, так и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением, более корректно использовать мультифрактальный анализ сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, основанный на методах многомерных структурных функций (МСФ) и вейвлет-преобразования (ВП), которые пригодны в условиях нестационарных случайных процессов [5*–9*].

В свете вышеизложенного представляется чрезвычайно актуальным изучение фрактальной структуры ионосферной турбулентности. Данная диссертационная работа и посвящена этой теме. Фактически это новое направление в исследованиях неоднородной структуры околоземной ионосферной и космической плазмы радиофизическими методами. В диссертации рассмотрены теоретические основы исследований мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ. Представлены результаты первых экспериментальных исследований фрактальной структуры ионосферной плазмы как в естественных условиях, так при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением российского нагревного среднеширотного стенда СУРА.

Предложен и апробирован на реальных экспериментальных данных перспективный фазовый метод исследований мультифрактальной структуры околоземной и космической плазмы, основанный на измерении многомерных структурных функций для флуктуаций фазы сигналов, принимаемых от спутников и космических радиоисточников. Фазовый метод может быть использован для получения обширных данных о мультистепенных и мультифрактальных спектрах ионосферной и космической плазменной турбулентности в различных геофизических условиях, для разных географических (и геомагнитных) широт земного шара, в разное время суток, в условиях развитой гелиоактивности и т.д. Настоящая диссертационная работа может являться основой большого цикла работ в новом научном направлении исследований неоднородной структуры ионосферы – изучении фрактальной структуры ионосферной турбулентности.

Совокупность рассмотренных положений позволяет считать диссертационную тему чрезвычайно актуальной как в части фундаментальных исследований свойств неоднородной структуры ионосферной плазмы, так и в части практического применения для систем трансионосферной радиосвязи, радиолокации и космической навигации.

Целью диссертационной работы является разработка теоретической модели и экспериментальное исследование фрактальной структуры развитой турбулентности среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка теоретических основ исследований мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования среднеширотной ионосферы сигналами ИСЗ в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Выявление особенностей исследований мультифрактальной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с использованием вейвлет-преобразования.

2. Экспериментальные исследования мультифрактальной структуры среднеширотной развитой мелкомасштабной ионосферной турбулентности в естественных условиях, в том числе в условиях солнечного затмения. Определение истинных значений показателей спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности и мультистепенных спектров плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы.

3. Экспериментальные исследования мультифрактальной структуры среднеширотной развитой мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности (МИИТ) при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Выявление особенностей мультифрактальной структуры МИИТ в условиях, когда наблюдается эффект магнитного зенита.

4. Экспериментальные исследования фрактальной структуры плазменной турбулентности перемещающихся ионосферных возмущений электронной концентрации на средних широтах.

Научная новизна и практическая ценность. Настоящая диссертационная работа фактически является первой работой в новом научном направлении исследований неоднородной структуры ионосферы – изучении фрактальной структуры ионосферной турбулентности. В диссертации разработан принципиально новый фрактально-корреляционный подход к исследованию флуктуаций сигналов ИСЗ в ионосферной плазме, что позволило получить необходимую информацию об истинных значениях показателей локальных спектров флуктуаций электронной концентрации для изотропной ионосферной турбулентности в естественных условиях и анизотропной мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности, а также определить значения фрактальных размерностей пространства, занятого в ионосфере мелкомасштабными неоднородностями электронной концентрации. Результаты сопоставлены с полученными ранее многочисленными экспериментальными данными о неоднородностях электронной концентрации среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощного КВ излучения. По результатам диссертационной работы сделан вывод о целесообразности проведения развернутых работ в рамках комплексной международной программы перспективных исследований фрактальной структуры ионосферной турбулентности.

В диссертации получены следующие новые результаты:

• Впервые предложен и экспериментально апробирован фрактально-корреляционный метод определения фрактальной размерности пространства, занятого в ионосфере неоднородностями электронной концентрации, и истинного показателя спектра изотропной мелкомасштабной ионосферой турбулентности по измеряемым в эксперименте фрактальной размерности и значению показателя спектра записи амплитуды принимаемого сигнала при дистанционном зондировании ионосферы. Получены характерные значения фрактальной размерности пространства, занятого естественными неоднородностями МИТ, и истинные значения показателя спектра. Проанализированы условия резко неравномерного распределения локальных фрактальных структур МИТ в пространстве.

• Получены соотношения, связывающие измеряемую в эксперименте фрактальную размерность записи амплитуды принимаемого сигнала при дистанционном зондировании ионосферы с фрактальной размерностью пространства, занятого в ионосфере неоднородностями, и значением истинного показателя анизотропного спектра флуктуаций электронной концентрации мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности. Выявлено существенное различие фрактальных размерностей для МИТ и МИИТ даже при одинаковых .

• Показано, что изотропная локальная структура мелкомасштабной ионосферной турбулентности, описываемая мультистепенным спектром , однозначно определяется набором соответствующих гельдеровских экспонент из мультистепенного спектра флуктуаций амплитуды сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ после радиопросвечивания ими среднеширотной ионосферы.

• Показано, что неравномерное распределение в пространстве ионосферных неоднородностей в общем случае характеризуется набором фрактальных размерностей , а полный мультифрактальный анализ записей флуктуаций фаз принимаемых сигналов позволяет определить мультистепенной и обобщенный мультифрактальный спектры ионосферных неоднородностей в довольно широком инерционном интервале масштабов от десятков метров до десятков километров по результатам зондирования ионосферной плазмы с борта орбитального ИСЗ.

• Показано, что в исследованиях неоднородной структуры ионосферной плазмы, равно как и при аналогичных исследованиях неоднородной структуры турбулентности в других природных средах, понятие сингулярной функции может вводиться лишь как некоторая математическая абстракция для упрощенного описания исследуемого мультифрактального процесса. В действительности же мы имеем дело с непрерывными гладкими, хотя и нестационарными случайными (турбулентными) процессами. При статистической фрактальной обработке принимаемых сигналов выявляется истинная мультифрактальная структура исследуемых нестационарных случайных процессов в пределах соответствующих инерционных интервалов этих турбулентных структур. Проанализированы некоторые особенности применения вейвлет-преобразования как локальной сингулярной меры при анализе сложных сигналов.

• Установлено, что неоднородное пространственное распределение мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации ионосферной плазмы определяет нестационарное поведение структурных функций быстрых флуктуаций амплитуды сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, что непосредственно выражается в специфическом скейлинге этих функций и, соответственно, в мультифрактальных спектрах самих сигналов.

• Установлено, что в условиях развитой ионосферной турбулентности мультифрактальная структура перемежаемости флуктуаций энергии сигналов, принимаемых с бортов орбитальных ИСЗ, в конечном счете, обусловлена пространственной неоднородностью дисперсии интегральных флуктуаций электронной концентрации, формируемых мелкомасштабными ионосферными неоднородностями на сравнительно больших пространственных масштабах порядка нескольких десятков километров. При этом полученные сведения о форме мультифрактальных спектров флуктуации энергии принимаемых сигналов оказываются справедливыми на всем множестве многомерных структурных функций с произвольными показателями порядка (, ).

Применение различных алгоритмов расчетов фрактальных спектров флуктуаций энергии принимаемых сигналов со скользящим усреднением флуктуаций амплитуды на локальных временных интервалах и при обработке с дискретными значениями локальных средних для мощности флуктуаций приводят к заметно различным мультифрактальным спектрам перемежаемости флуктуаций амплитуды принимаемых сигналов. Последнее обстоятельство следует учитывать при построении различных физических моделей мультифрактальных спектров перемежаемости развитой ионосферной турбулентности.

• Обнаружены существенные различия в поведении показателей мультистепенных спектров неоднородностей и соответствующих обобщенных мультифрактальных спектров ионосферной турбулентности как для разных облаков электронной концентрации ионосферной плазмы с размерами ~(200 – 250) км, так и внутри отдельных облаков для локальной неоднородной структуры с размерами ~ (12 – 15) км. Результат получен при зондирования среднеширотной ионосферы в сеансах связи с орбитальными спутниками 29.03.2006 г. и 23.08.2005 г. при исследованиях неоднородной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с применением метода многомерных структурных функций при анализе флуктуаций амплитуды сигналов. Это принципиально новый результат в исследованиях неоднородной структуры ионосферной турбулентности.

• Обнаружено, что во время солнечного затмения 01.08.2008 г. измеренные на разных радиотрассах мультистепенные и обобщенные мультифрактальные спектры мелкомасштабной ионосферной турбулентности в двух сеансах наблюдений на начальной и завершающей стадиях затмения оказались практически идентичными, что может свидетельствовать о довольно большой стабильности неоднородного пространственно-временного распределения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в ионосфере.