RU2696015C1 - Method for determining the ambipolar diffusion coefficient in the earth's lower ionosphere - Google Patents
Method for determining the ambipolar diffusion coefficient in the earth's lower ionosphere Download PDFInfo
- Publication number
- RU2696015C1 RU2696015C1 RU2018147780A RU2018147780A RU2696015C1 RU 2696015 C1 RU2696015 C1 RU 2696015C1 RU 2018147780 A RU2018147780 A RU 2018147780A RU 2018147780 A RU2018147780 A RU 2018147780A RU 2696015 C1 RU2696015 C1 RU 2696015C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- ionosphere
- inhomogeneities
- radio
- disturbing
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of geophysics, to methods and devices for determining the parameters of the lower ionosphere of the Earth, and is intended for remote determination of the coefficient of ambipolar diffusion in the altitude range 85-130 km
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.The invention can be used to study and monitor the dynamic processes occurring in the lower ionosphere of the Earth, to determine the characteristics of diffusion processes with the aim of studying the interaction and energy exchange between the lower and upper ionosphere, analyzing the propagation conditions in the ionosphere of natural and artificially generated disturbances, modeling and predicting the effects of active experiments in the lower ionosphere of the Earth.
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.There are a number of methods for studying diffusion processes and determining diffusion parameters in the altitude range of 85-130 km, which belongs to the E-region of the ionosphere. Diffusion processes are investigated using lidars, incoherent scattering radars, and the creation of artificial luminous plasma clouds (Brunelli B.E., Namgaladze A.A. Ionosphere Physics. M.: Nauka, 1988. 528 p .; Shefov H.N., Semenov A .I., Khomich V.Yu. Radiation of the upper atmosphere of the Earth - an indicator of its structure and dynamics. M: GEOS, 2006. 741 p.); Rozhansky A.A. The evolution of plasma clouds in the ionosphere // Soros Educational Journal. 2001.V. 7. No. 9. S. 109-114.). Each of these methods has both its advantages and significant limitations in its use at the heights of the lower ionosphere.
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.Lidar is an optical locator for remote sensing of air and water environments, actively used in the middle atmosphere. It consists of an optical radiation source, a photodetector, a system for recording and processing sounding results. Lasers are used as a source of optical radiation. In the lower atmosphere, lidars are used to measure a number of parameters: humidity, temperature, transparency, concentration of gas and aerosol components, wind speed, upper and lower clouds. At ionospheric heights, lidars measure the concentration of ions and molecules, the temperature of neutral molecules. The use of lidars is limited by daylight hours and altitude, as a rule, not exceeding 90-100 km.
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.The incoherent scattering method, using appropriate radars, is one of the most informative ground-based methods for studying the ionosphere. In incoherent scattering radars, frequencies that are significantly higher than the eigenfrequencies of the ionosphere are used. An analysis of the spectrum of the signal scattered by the electrons of the medium allows one to determine the ionic and electronic temperature, ion content, ion drift velocity, and collision frequency in the lower ionosphere. The spread of the incoherent scattering method is limited due to the extreme complexity of the technical means used, the cost of measurements is comparable to the cost of rocket and satellite experiments. In the world there are only 9 installations of this type. A significant drawback of the incoherent scattering method is the low resolution in height, which is usually 50-70 km, which does not allow measuring the parameters of diffusion processes with high accuracy.
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.Creation of artificial clouds in the ionosphere by injection of certain chemicals from the spacecraft, for which vaporous alkali and alkaline earth metals are used (Drobizhev A.I., Erin V.A., Pyzhov AM, Rekshinsky V.A., Yurtaev EV Patent RU 2488265 C2. Method for creating artificial clouds of vaporous alkaline and alkaline earth metals in the upper atmosphere of the Earth and a device for its implementation .; Utkin Yu.A., Koroteev AS, Koba VV, Romanovsky Yu. A. Patent RU 2150798 C1. Method for creating luminous artificial formations in the near-Earth space.). Artificial clouds are ionized by the radiation of the Sun, moving and spreading under the influence of both ambipolar diffusion, and as a result of the influence of electric and magnetic fields. As a result, complex plasma formations arise in the ionosphere, observations of which can be used to study the ionospheric dynamics and structure of electric fields. Experiments with the injection of chemicals from the spacecraft are possible only from equipped polygons and are extremely expensive and episodic, which does not allow regular monitoring of the ionosphere.
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.A known method of studying the dynamics of the ionosphere based on measuring vertical wind speed in the altitude range of 20-120 km, based on optical observations of the evolution of artificial luminous or smoke clouds created in the upper atmosphere of the Earth when flying meteorological rockets (Andreeva L.A., Klyuev O. F., Portnyagin Yu.I., Khananyan A.A. Study of processes in the upper atmosphere by the method of artificial clouds.- L .: Gidrometeoizdat, 1991. 174 pp .; Khananyan A.A. aeronomy. 1984. T. 24. No. 6. S. 1023-1025.). The disadvantage of this method is the requirement of certain weather conditions and the inability to conduct mass observations. The method can be implemented only at certain periods of time, when there is no strong cloud cover, and also when the artificial cloud is illuminated by the Sun, and observation points are in the dark.
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.There is a method for determining the characteristics of the lower ionosphere, the effect of which is based on the emission of sounding radio pulses into the ionosphere and the reception of radio pulses backscattered by natural inhomogeneities of the ionospheric plasma, measuring the altitude dependences of the amplitude of the backscattered radio pulses (Schlegel K., 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 WK, Vincent RA 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.). This method of determining the characteristics of the lower ionosphere, called the partial reflection method, allows the location of the maxima in the height dependence of the amplitude of the received radio pulse to separate the region of turbulent mixing of atmospheric gases from the region of ambipolar diffusion. Information on this is also obtained by comparing the altitude profiles of the amplitude of the signal scattered by the natural inhomogeneities of the ionospheric plasma during sounding of the ionosphere at several frequencies. A significant drawback of this method is the necessity of averaging the experimental data due to the large variability of the amplitude of the backscattered signal due to its random nature due to scattering by natural ionospheric inhomogeneities, which increases the measurement time to tens of minutes. In addition, the measurement error increases at heights with sharp gradients of electron concentration.
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.However, the above methods of studying dynamic processes in the ionosphere, determining many important parameters of the ionospheric plasma and its neutral component, as a rule, do not determine the coefficient of ambipolar diffusion.
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.The problem to which the invention is directed, is the use of the remote radiophysical method for determining the coefficient of ambipolar diffusion as a method that significantly reduces the cost of measurements, designed to improve the altitude-time resolution and increase the accuracy of determining the coefficient of ambipolar diffusion.
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).The solution of this problem is achieved by the fact that the proposed method for determining the coefficient of ambipolar diffusion in the lower ionosphere involves the formation of artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma by exposing the ionosphere to disturbing radio emission at two different frequencies, above the critical frequency for the E layer and below the critical frequency for the F layer, radiation of probing radio pulses into the ionosphere after the end of the perturbing action at the same frequencies and with the same polarizations, signal reception, back p scattered by artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma, measuring the amplitude of the signal scattered by the periodic inhomogeneities generated by the disturbing radio emission at the altitude studied h in the altitude range 80-130 km, determining the altitude dependence of the relaxation time of the backscattered signal. The relaxation time of inhomogeneities τ (h) at each height h is determined by a decrease in the amplitude of the backscattered signal by a factor of e, where the number e is the base of the natural logarithm or the Euler number, which is a mathematical constant (I.N. Bronstein and K.A. Semendyaev. Handbook of Mathematics. - M.: State Publishing House of Physical and Mathematical Literature. 1962, p. 92; Handbook of special functions with formulas, graphs, and tables. - Moscow: Nauka, 1979, p. 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 τd(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.In the monograph (Belikovich V.V., Benediktov E.A., Tolmacheva A.V., Bakhmeteva N.V. Investigation of the ionosphere using artificial periodic inhomogeneities. - Nizhny Novgorod. IAP RAS. 1999. 155 p.) It is shown that the relaxation time τ (h) of inhomogeneities, which in the absence of sporadic layers of ionization and atmospheric turbulence is due to ambipolar diffusion with a characteristic diffusion relaxation time τ d (h), is inversely proportional to the ambipolar diffusion coefficient and the squared wave number of the disturbing radio emission. Thus, the relaxation time of the signal backscattered by artificial periodic inhomogeneities depends on the ambipolar diffusion coefficient and on the length of the disturbing radio wave or on the spatial scale of the inhomogeneities, which, in turn, is determined by the frequency of the disturbing radio emission. Measurement of the relaxation time of the backscattered signal when creating artificial periodic inhomogeneities at two frequencies of the disturbing radio emission makes it possible to determine the ambipolar diffusion coefficient with high accuracy with remote sensing of the ionosphere region created by the disturbing radio emission.
Способ может быть реализован с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг. 1.The method can be implemented using a device, a block diagram of which is shown in FIG. one.
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.A device that implements a method for determining the coefficient of ambipolar diffusion contains a master oscillator 1 for generating a continuous sinusoidal signal at a frequency of ƒ 1 , a master oscillator 2 for generating a continuous sinusoidal signal at a frequency of ƒ 2 , a transmitter 3 with antenna 4 for continuous radiation at the zenith of a disturbing ionosphere of radio emission with the creation of artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma, a transmitter 5 with an antenna 6 for radiation to the zenith of radio pulses probing artificial transmissions iodic inhomogeneities, receiver 7 with antenna 8 for receiving backscattered by periodic inhomogeneities of radio pulses at a frequency of ƒ 1 receiver 9 with antenna 10 for receiving backscattered by periodic inhomogeneities of radio pulses at a frequency of ƒ 2 , recorder RCC 11 with a personal computer for measuring the amplitude of backscattered radio pulses from receivers 7 and 9, as well as for processing and storing the measured values of the amplitude of backscattered radio pulses, which are used to determine relaxation times τ 1 at a frequency of ƒ 1 and τ 2 at a frequency of ƒ 2 , which are necessary for determining the coefficient of ambipolar diffusion, the PKS 12 synchronizer with a personal computer to provide temporary operating modes for transmitters 3 and 5 and to control the RCC recorder 11.
Способ определения коэффициента амбиполярной диффузии осуществляется следующим образом.The method for determining the coefficient of ambipolar diffusion is as follows.
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 ƒF2-ƒE (где ƒЕ и ƒF2 - критические частоты E-слоя и F-слоя ионосферы, соответственно), поступающие на передатчик 3.They act on the ionosphere by disturbing radio emission alternately at frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , which are higher than the critical frequency of the E layer and below the critical frequency of the F layer of the ionosphere, thereby forming artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma in the ionosphere with different spatial scales determined by the frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , from the base of the ionosphere to the height of the maximum of the F layer. For this, a continuous sinusoidal signal is generated using the master oscillator 1 at the frequency of the disturbing radio emission ƒ 1 and with the help of the master oscillator 2, the continuous sinusoidal signal at the frequency of the disturbing radio emission ƒ 2 in the frequency range ƒ F2- ƒ E (where ƒ E and ƒ F2 are the critical frequencies E-layer and F-layer of the ionosphere, respectively) arriving at the transmitter 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 ƒF2, направленное в зенит возмущающее радиоизлучение частотой ƒ1 или ƒ2 отражается от ионосферы.Using the PKS synchronizer, 12 master oscillators 1 and 2 and a transmitter 3 with antenna 4 continuously emit disturbing radio emission (high-power radio wave) at the frequencies ƒ 1 and ƒ 2 continuously at the zenith. This means that in the first measurement cycle the transmitter 3 emits a powerful radio wave with a frequency of ƒ 1 , in the next measurement cycle it emits a powerful radio wave with a frequency of ƒ 2 , then the cycles are repeated. Since the frequencies ƒ 1 and ƒ 2 of the disturbing radio emission are lower than the critical frequency of the F-layer of the ionosphere ƒ F2 , the directed to the zenith disturbing radio emission of the frequency ƒ 1 or ƒ 2 is reflected from the ionosphere.
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.After the end of the impact on the ionosphere of disturbing radio emission, i.e. after the termination of the operation of transmitter 3, they emit into zenith at the same frequency ƒ 1 or ƒ 2 and with the same polarization as the disturbing radio emission had, a sequence of probing radio pulses. In the first measurement cycle, when the disturbing radiation is emitted at a frequency of ƒ 1 , the probing radio pulses are also emitted at a frequency of ƒ 1 . In the next measurement cycle, when the disturbing radiation is emitted at a frequency of ƒ 2 , the probing radio pulses are also emitted at a frequency of ƒ 2 . To do this, a sequence of strobe pulses is formed using the PKS 12 synchronizer to control the transmitter 5. The transmitter 5 with the antenna 6 in the first measurement cycle emits radio pulses generated by the master oscillator 1 and the PKS 12 synchronizer at the frequency ƒ 1. In the next measurement cycle, the transmitter 5 with antenna 6 radiates to the zenith at a frequency of ƒ 2 sounding radio pulses generated by a master oscillator 2 and a synchronizer PKS 12. As a transmitter 5, transmitter 3 can be used pulsed radiation. The complete measurement cycle, including the emission of a disturbing radio wave and probe radio pulses at each of the frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , lasts 30 seconds - the first 15 seconds at a frequency of ƒ 1 , the next 15 seconds - at a frequency of ƒ 2 , of which a disturbing signal is emitted for 3 seconds radiation, during the next 12 seconds - probing radio pulses.
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.With the aid of receiver 7 with antenna 8, sounding radio pulses at a frequency of ƒ 1 are received, and using receiver 9 with antenna 10, sounding radio pulses at a frequency of ƒ 2 , backscattered by artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma formed by disturbing radio waves at a frequency of ƒ 1 and at a frequency of ƒ 2 which, after turning off the transmitter 3, exist in the ionosphere depending on the frequency of the disturbing radio emission for several seconds, gradually collapsing (relaxing). Since the frequency and polarization of the probe radio pulse coincide with the frequency and polarization of the disturbing radio emission, each probe radio pulse is scattered over the entire height range from the lower boundary of the ionosphere to the height of its reflection in the F layer. If the frequencies and polarizations of the perturbing and probing radio emissions are equal, the scattering from periodic inhomogeneities is resonant in nature, that is, the probe radio pulses (signals) are scattered by all the inhomogeneities in phase, which increases the amplitude of the backscattered signal and, thereby, increases the measurement accuracy.
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.When receiving with the help of the RCC recorder 11, the altitude dependence of the signal amplitude A (h) is measured, backscattered by artificial periodic inhomogeneities - A 1 (h) at a frequency of ƒ 1 and A 2 (h) at a frequency of ƒ 2 . To do this, using a synchronizer PKS 12 form a sequence of gating pulses to control the recorder RCC 11. Using the recorder RCC 11 measure at the moment of receipt of the strobe pulse the amplitude of the backscattered signal corresponding to a height h 1 at a frequency of ƒ 1 and a height of h 2 at a frequency of ƒ 2 . The delay of the gating pulse relative to the moment of radiation of the probe radio pulse is determined by the heights of the scattered signal h 1 and h 2 . In the process of sounding, the intensity of artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma with different spatial scales decreases, since after the end of the disturbing radiation they are destroyed (relax), and the amplitude of the probe radio signal, backscattered by periodic inhomogeneities, also decreases.
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.From the height profile of the amplitude A (h) of the backscattered signal received at a frequency of ƒ 1 and a signal received at a frequency of ƒ 2 at each height h, determine the relaxation time of artificial periodic inhomogeneities τ 1 at a frequency of ƒ 1 and the relaxation time of artificial periodic inhomogeneities τ 2 at a frequency ƒ 2 by a characteristic decrease in the amplitude of the backscattered signal at e, where the number of e - is the natural logarithm base, or Euler number, which is a mathematical constant (Bronstein KN, KA Semendyaev Reference Mat tic - M .: State Publishing House of Physical and Mathematical literature, 1962, p 92;... Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs and Tables - M .: Nauka, 1979, p 13)... As a result, the ambipolar diffusion coefficient D is determined by the formula relating it to the frequencies of the probing signals, the relaxation times of the scattered signal, and the refractive indices of the ionosphere at these frequencies.
Физическая основа предлагаемого способа состоит в следующем.The physical basis of the proposed method is as follows.
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.The method for determining the ambipolar diffusion coefficient is based on the formation of artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma by exposing the ionosphere to disturbing radio emission at a frequency higher than the critical frequency for the F layer and below the critical frequency of the F layer, as a result of which disturbing radio emission is reflected from the ionosphere. Due to the interference of radio waves incident on the ionosphere and reflected from it in the entire space between the lower boundary of the ionosphere (50-60 km) and the reflection height of the disturbing radio emission, a powerful standing radio wave is formed that perturbes the ionospheric plasma. In the periodic field of a powerful standing radio wave, the electron component of the ionospheric plasma is heated unevenly in height and is displaced from more heated regions to less heated ones, due to which artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma are formed with a low electron concentration in the antinodes of the standing wave field and with a spatial period (period in height), equal to L = 0.5λ = 0.5c / ƒn, where c is the speed of light in vacuum, ƒ is the frequency of the disturbing radio emission, n is the refractive index of the disturbing radio waves s in the ionosphere, depending on the concentration of electrons. Artificial periodic inhomogeneities are formed in the entire range of heights from the lower boundary of the ionosphere to the height of the maximum of the F layer. Upon termination of the impact on the ionosphere by disturbing radio emission, the formed artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma begin to collapse (relax). The probe radio pulse is emitted at the end of the disturbing action at the same frequency and with the same polarization as the disturbing radio emission, and then it is scattered by the relaxing periodic structure over the entire range of heights of the formation of artificial periodic inhomogeneities. At the reception, the amplitude of the probing radio signal, backscattered by artificial periodic inhomogeneities formed by disturbing radio emission, is measured at the studied height h. Over time, the amplitude of the backscattered signal decreases. The relaxation (destruction) time of artificial periodic inhomogeneities τ (h), equal to the relaxation time of the backscattered signal and depending on the height, is determined by a decrease in the amplitude of the scattered signal by a factor of e.
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.)In the lower ionosphere, in the altitude range of 85-130 km, the relaxation of artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma in the absence of sporadic layers of ionization and neutral atmospheric turbulence, which significantly change the altitude dependence of the relaxation time compared to diffusion, occurs under the influence of ambipolar diffusion, resulting in diffusion relaxation time of inhomogeneities equal to the relaxation time of the probing radio signal scattered by them is expressed by the formula (Belikovich V.V., Benediktov E.A. , Tolmacheva A.V., Bakhmeteva N.V. Study of the ionosphere using artificial periodic inhomogeneities. - Nizhny Novgorod. IAP RAS. 1999. 155 p.)
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.)where K = 4π / λ = 4πƒn / s is the wave number of the disturbing radio emission, λ = c / ƒn is the wavelength of the disturbing radio emission in the ionospheric plasma, c is the speed of light in vacuum, ƒ is the frequency of the disturbing radio emission, n is the refractive index of the disturbing radio wave in ionosphere, D — ambipolar diffusion coefficient equal to (Gershman B.N. Dynamics of ionospheric plasma. M: Nauka, 1974. 256 p.)
В формуле (2) содержатся κ - постоянная Больцмана, Мi - средняя молекулярная масса ионов, νim - частота соударений ионов с молекулами, Те и Ti - невозмущенные температуры электронов и ионов, равные на указанных высотах температуре нейтральных молекул Т.Formula (2) contains κ - Boltzmann constant, М i - average molecular mass of ions, ν im - frequency of collisions of ions with molecules, Т е and T i - unperturbed temperatures of electrons and ions, equal at the indicated heights to the temperature of neutral molecules T.
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.The ambipolar diffusion coefficient D can be determined experimentally by creating artificial periodic inhomogeneities at the same frequency ƒ. In this case, the ambipolar diffusion coefficient D is found by the formula (1), for which it is necessary to know the value of the refractive index n, which in turn depends on the value of the electron concentration (Ginzburg V.L. Propagation of electromagnetic waves in a plasma. - M .: Fizmatgiz, 1960.552 s.). The measurement of electron concentration is carried out by different methods, or restored from the ionogram of vertical sounding obtained by the ionosonde (Brunelli B.E., Namgaladze A.A. Ionosphere Physics. M: Nauka, 1988. 528 p.). However, the electron concentration and, therefore, the refractive index n depending on it, can be measured with greater accuracy by creating artificial periodic inhomogeneities alternately at two frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , (Belikovich V.V., Bakhmeteva N.V., Kalinina E .E., Tolmacheva AV A new method for determining the electron concentration in the E-region of the ionosphere by the relaxation times of artificial periodic inhomogeneities // University Proceedings. Radiophysics. 2006. T. 49. No. 9. P. 744-750.). In this case, the accuracy of determining the electron concentration, as well as the ambipolar diffusion coefficient, increases.
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.From formulas (1) and (2) it follows that for inhomogeneities with different spatial scales determined by wavelengths or frequencies of disturbing radio emission, the relaxation times of the backscattered signal are different.
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.)When creating artificial periodic inhomogeneities alternately at two frequencies ƒ 2 and ƒ 2 , measuring the amplitude of the backscattered signal at these frequencies and determining the relaxation time of the backscattered signal τ 1 at the frequency ƒ 1 and the relaxation time of the backscattered signal τ 2 at the frequency ƒ 2 , the coefficient diffusion will be determined by the expression (see Belikovich V.V., Benediktov E.A., Tolmacheva A.V., Bakhmeteva N.V. Study of the ionosphere using artificial periodic inhomogeneities. - Nizhny Novgorod. IAP RAS. 1999. 155 p. )
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 диффузииSubstituting into the formula (3) the expressions of the wave number K 1 = 4π / λ 1 = 4πƒ 1 n 1 / s for the disturbing radio emission at a frequency of ƒ 1 and the wave number K 2 = 4π / λ 2 = 4πƒ 2 n 2 / c for the disturbing radio emission at a frequency of ƒ 2 , we obtain the expression for the coefficient of ambipolar diffusion
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.The refractive indices n 1 and n 2 for disturbing radio emission generated at frequencies ƒ 1 and ƒ 2 are determined in the same measurements by creating artificial periodic inhomogeneities at two frequencies ƒ 1 ƒ 2 and measuring the electron concentration (Belikovich V.V., Bakhmeteva N.B., Kalinina EE, Tolmacheva AV A new method for determining the electron concentration in the E-region of the ionosphere from the relaxation times of artificial periodic inhomogeneities // University Proceedings. Radiophysics. 2006. V. 49. No. 9. C . 744-750.). Another way to determine the refractive index is to calculate it based on the altitude profile of the electron concentration, which is reconstructed from vertical sounding ionograms (Ginzburg VL, Propagation of electromagnetic waves in a plasma. - M .: Fizmatgiz, 1960. 552 p.), Which are always recorded by an ionoprobe in observation period.
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).Thus, determining the relaxation times of the backscattered signals τ 1 and τ 2 by decreasing the amplitudes A 1 and A 2 of the probe radio pulses at frequencies ƒ 1 and ƒ 2 scattered by artificial periodic inhomogeneities created by disturbing radio emission alternately at frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , measuring the values of the refractive indices n 1 and n 2 determine the coefficient of ambipolar diffusion according to the formula (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.The feasibility of this method for determining the coefficient of ambipolar diffusion is confirmed in a series of experiments conducted by the inventors in the 2000s on the heating bench of the SURA (56.1 ° N; 46.1 ° E; Nizhny Novgorod region). As a disturbing radio emission, creating artificial periodic inhomogeneities of the ionospheric plasma alternately at two frequencies, the radio emission of three in-phase operating transmitters of the SURA stand with a power of 250 kW each, loaded onto an antenna with a gain of G = 100, was used. Powerful transmitters of the SURA heating stand in-phase operated alternately at frequencies ƒ 1 = 4.7 MHz and ƒ 2 = 5.6 MHz, continuously emitting at the zenith of radio waves of unusual polarization of disturbing radio emission with an effective radiation power of ~ 80-100 MW for 3 seconds with the formation artificial periodic inhomogeneities with two different spatial scales determined by the frequencies ƒ 1 and ƒ 2 . After the cessation of the disturbing radio emission for 12 seconds at the stage of destruction (relaxation) of artificial periodic inhomogeneities, the transmitters of the stand radiated into the zenith for 12 seconds, probe radio pulses with a duration of 30 μs and a pulse repetition rate of 50 Hz. In the first measurement cycle with a total duration of 15 seconds, disturbing radio emission and probe radio pulses were emitted at a frequency of ƒ 1 = 4.7 MHz, in the next measurement cycle with a total duration of 15 seconds, disturbing radio emission and probe radio pulses were emitted at a frequency of ƒ 2 = 5.6 MHz. As a signal receiver, backscattered by artificial periodic inhomogeneities, a P-250 connected radio receiver with a bandwidth expanded to 80 kHz was used. The transition from one frequency to another was carried out using a specially designed control device. In the following cycles, the frequency emission sequence was repeated.
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.)In FIG. Figure 2a shows the time-altitude dependence of the amplitude of signal A backscattered by artificial periodic inhomogeneities created in a session of 16 hours 29 min 10 s at a frequency of ƒ 1 = 4.7 MHz (left panel) and in a session of 16 hours 29 min 25 s at a frequency of ƒ 2 = 5.6 MHz (right panel) October 4, 2006. FIG. 2b shows the altitude dependences of the measured relaxation time τ (h) and the amplitude A (h) of the signal backscattered by artificial periodic inhomogeneities for the measurement session beginning at 16 hours 29 min on October 10, 2006. The points in FIG. Figure 2b shows the relaxation time τ 2 (h) and the amplitude A 2 (h) of the scattered signal from artificial periodic inhomogeneities created by disturbing radio waves at a frequency of ƒ 2 = 5.6 MHz, and the curves show the relaxation time τ 1 (h) and amplitude A 1 (h) the scattered signal from artificial periodic inhomogeneities created by disturbing radio emission at a frequency of ƒ 1 = 4.7 MHz. In FIG. 2b, the actual height h in km is plotted on the vertical axis, and the measured relaxation time τ in seconds and the amplitude of the scattered signal A in decibels (Bakhmetieva N.V., Belikovich V.V., Bubukina V.N.) are plotted on the horizontal axis on a logarithmic scale. , Vyakhirev V.D., Kalinina E.E., Komrakov G.P., Tolmacheva A.V. Results of determination of the electron concentration in the E-region of the ionosphere by relaxation times of artificial periodic inhomogeneities with different scales // University proceedings. Radiophysics. 2008 T. 51. No. 6. S. 477-485.). The experimentally and theoretically established accuracy of determining the ambipolar diffusion coefficient is determined by the time-altitude resolution of measurements of the amplitude and relaxation time of a signal scattered by artificial periodic inhomogeneities, which in the implemented method was 1.4 km in height and 15 seconds forward (Belikovich V.V. N. V. Bakhmeteva, EE Kalinina, AV Tolmacheva, A New Method for Determining the Electronic Concentration in the E-Region of the Ionosphere from the Relaxation Times of Artificial Periodic Inhomogeneities // University proceedings. Radiophysics. 2006. T. 49. No. 9. P. 744-750 .; Bakhmetyeva N.V., Belikovich V.V., Tolmacheva A.V. Investigation of the ionosphere and neutral atmosphere by creating artificial periodic inhomogeneities on two frequencies // Reports of the XXII All-Russian Conference on the Propagation of Radio Waves, September 22-26, 2008, Rostov-on-Don-p. Loo. Proceedings of the conference. T. 2. P. 129-133.)
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018147780A RU2696015C1 (en) | 2018-12-29 | 2018-12-29 | Method for determining the ambipolar diffusion coefficient in the earth's lower ionosphere |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018147780A RU2696015C1 (en) | 2018-12-29 | 2018-12-29 | Method for determining the ambipolar diffusion coefficient in the earth's lower ionosphere |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2696015C1 true RU2696015C1 (en) | 2019-07-30 |
Family
ID=67586783
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018147780A RU2696015C1 (en) | 2018-12-29 | 2018-12-29 | Method for determining the ambipolar diffusion coefficient in the earth's lower ionosphere |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2696015C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2749169C1 (en) * | 2020-09-14 | 2021-06-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» | Method for determining altitude profile of electron concentration in e-region of earth's ionosphere |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1732309A1 (en) * | 1990-02-28 | 1992-05-07 | Нижегородский Научно-Исследовательский Радиофизический Институт | Method for determining the tightness of atmosphere at the altitudes of e-ionosphere |
| WO2006083361A2 (en) * | 2004-12-03 | 2006-08-10 | The Boeing Company | System for measuring turbulence remotely |
| US8525110B2 (en) * | 2011-09-28 | 2013-09-03 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics Space Administration | Wind ion neutral composition apparatus |
| RU2638952C1 (en) * | 2016-12-07 | 2017-12-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Method for determining speed of plasma turbulent movement in mesosphere and bottom thermosphere |
| RU2660119C1 (en) * | 2017-06-19 | 2018-07-05 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Method for determining the atomic mass of metal ions in the sporadic layer e (es) |
-
2018
- 2018-12-29 RU RU2018147780A patent/RU2696015C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1732309A1 (en) * | 1990-02-28 | 1992-05-07 | Нижегородский Научно-Исследовательский Радиофизический Институт | Method for determining the tightness of atmosphere at the altitudes of e-ionosphere |
| WO2006083361A2 (en) * | 2004-12-03 | 2006-08-10 | The Boeing Company | System for measuring turbulence remotely |
| US8525110B2 (en) * | 2011-09-28 | 2013-09-03 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics Space Administration | Wind ion neutral composition apparatus |
| RU2638952C1 (en) * | 2016-12-07 | 2017-12-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Method for determining speed of plasma turbulent movement in mesosphere and bottom thermosphere |
| RU2660119C1 (en) * | 2017-06-19 | 2018-07-05 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Method for determining the atomic mass of metal ions in the sporadic layer e (es) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2749169C1 (en) * | 2020-09-14 | 2021-06-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» | Method for determining altitude profile of electron concentration in e-region of earth's ionosphere |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Moon et al. | Long-path THz-TDS atmospheric measurements between buildings | |
| Yang et al. | Broadband THz pulse transmission through the atmosphere | |
| Koch et al. | High-energy 2 μ m Doppler lidar for wind measurements | |
| Prigarin | Monte Carlo simulation of the effects caused by multiple scattering of ground-based and spaceborne lidar pulses in clouds | |
| Pozderac et al. | $ X $-Band Beacon-Receiver Array Evaporation Duct Height Estimation | |
| Hawley et al. | Coherent launch-site atmospheric wind sounder: theory and experiment | |
| Ishii et al. | Ground-based integrated path coherent differential absorption lidar measurement of CO 2: foothill target return | |
| Lebsock et al. | The feasibility of water vapor sounding of the cloudy boundary layer using a differential absorption radar technique | |
| Abdelazim et al. | Development and operational analysis of an all-fiber coherent Doppler lidar system for wind sensing and aerosol profiling | |
| Chunchuzov et al. | Characteristics of a fine vertical wind-field structure in the stratosphere and lower thermosphere according to infrasonic signals in the zone of acoustic shadow | |
| Chernogor et al. | Variations in the ionospheric wave perturbation spectrum during periodic heating of the plasma by high-power high-frequency radio waves | |
| US10535974B2 (en) | Discriminative remote sensing and surface profiling based on superradiant photonic backscattering | |
| Vierinen et al. | High latitude artificial periodic irregularity observations with the upgraded EISCAT heating facility | |
| RU2696015C1 (en) | Method for determining the ambipolar diffusion coefficient in the earth's lower ionosphere | |
| RU2660119C1 (en) | Method for determining the atomic mass of metal ions in the sporadic layer e (es) | |
| RU2638952C1 (en) | Method for determining speed of plasma turbulent movement in mesosphere and bottom thermosphere | |
| Guenther et al. | Laser applications for near-shore nautical charting | |
| Ungan et al. | Time statistics of propagation over the ocean surface: A numerical study | |
| Tolmacheva et al. | The variations of the atmospheric parameters on measurements using the artificial periodic irregularities of plasma | |
| Illig et al. | Blind signal separation for underwater lidar applications | |
| Finn et al. | The feasibility of unmanned aerial vehicle-based acoustic atmospheric tomography | |
| Ishii et al. | Measurement performance assessment of future space-borne Doppler wind lidar for numerical weather prediction | |
| Bakhmetieva et al. | Perspective ground-based method for diagnostics of the lower ionosphere and the neutral atmosphere | |
| RU2749169C1 (en) | Method for determining altitude profile of electron concentration in e-region of earth's ionosphere | |
| Ren et al. | Polarized laser backscattering of atmospheric cloud distribution based on simulated annealing algorithm |