Двумерная модель искусственной области возмущения для оперативного расчета характеристик радиоволн Текст научной статьи по специальности «Физика»

технологии. № 1 (69) Январь-февраль 2012. С.-97-103.

A.V. Komissarov, S.A. Kurbatskiy

MODELING OF TIME-SPACE ELECTRON CONCENTRATION DISTRIBUTION IN IONOSPHERE FOR ESTIMATING GEOPHYSICAL CONDITIONS ADAPTATION ALGORITHMS

Efficiency of ionospheric IRI model correction according to ground ionosondes - and satellite radio sounding data (by the example of the "MIR" manned space station) is considered. Corrected charts of the IRI model cutoff frequency were got on the grounds of the obtained experimental data which made it possible to reveal an ionospheric agitation recorded in the radio sounding area.

Key words: international ionosphere model, global ionosphere monitoring, electron concentration distribution in the ionosphere.

Получено 17.10.12

УДК 621.396.96

А.В. Новиков, нач. сектора, (4872) 56-00-39, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «ЦКБА»),

А.В. Комиссаров, преподаватель, (495) 598-18-35, [email protected] (Россия, Голицино, Голицынский пограничный институт), М.В. Осыко, преподаватель, (495) 598-18-35 (Россия, Голицино, Голицынский пограничный институт)

ДВУМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ИСКУССТВЕННОЙ ОБЛАСТИ ВОЗМУЩЕНИЯ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОВОЛН

Рассмотрен принцип построения двумерной аналитической крупномасштабной модели искусственной области возмущения. Приведены расчеты электронной концентрации при возмущении ионосферы полем радиоволны нагревного стенда с фиксированной эффективной мощностью.

Ключевые слова: область возмущения, электронная концентрация, ионосфера, высотный профиль концентрации.

Известно, что при воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением возникают нелинейные явления, которые могут быть использованы для решения ряда практических задач радиосвязи, локации, навигации и пеленгации. В частности, функционирование радиотехнических систем и средств радиосвязи, работающих в диапазоне декаметровых радиоволн в значительной степени определяется геофизическими условиями на трассе распространения радиоволн. Одним из возможных путей уменьшения зависимости работоспособности этих систем и средств от геофизических условий может явиться искусственное изменение условий распространения радиоволн на трассах наклонного зондирования (НЗ) с помощью локальной области возмущения диэлектрической проницаемости. Искусственная область возмущения (ОВ) может быть создана при нагреве ионосферной плазмы мощным радиоизлучением декаметрового диапазона.

Следует отметить, что изучение влияния на характеристики сигна-

лов неоднородных свойств среды, включая искусственно возмущенную ионосферу, стало одним из основных направлений в исследовании распространения радиоволн. Об этом можно судить по достаточно большому числу монографий и обзоров, вышедших за указанный промежуток времени [1-3].

Представляет определенный интерес расчет параметров возмущенной области слоя F ионосферы для конкретных изменений температуры электронов в поле мощной радиоволны на основе предлагаемой двумерной модели этой области.

Приведем расчеты электронной концентрации Ne(Z) при возмущении ионосферы полем радиоволны нагревного стенда с эффективной мощностью PG.

Без учета теплопроводности зависимость возмущений температуры АТе = Te-Te0 в ОВ от параметров нагревного передатчика можно представить в виде [1]

/Te0 «(Eq/Epj2, (1)

где Е0 - напряженность электрического поля мощного радиоизлучения, которую на высоте Z можно, в частности, определить выражением

Eq = 3qq/vPG / Z мВ/м (здесь P - мощность греющего передатчика в кВт, G - коэффициент направленного действия его антенны по отношению к ненаправленному излучателю). Формула (1) справедлива до значения Е0 <

ЕР [1].

В области высот Z < 180^200 км значение электронной концентрации определяется фотохимическими процессами [2]. Тогда в случае относительно слабых возмущений справедливо соотношение

y(eq / Ep г

^Ne / NeQ « Q2 P , (2)

где y - коэффициент температурной зависимости скоростей диссоциативной рекомбинации атмосферных ионов.

На высотах Z > 180...200 км, где преобладают ионообменные реакции, в области возмущения устанавливается гидродинамически равновесное распределение электронной концентрации. В этом случае для возмущения Ne справедливо выражение (3)

ANe= (eQ/Ep)2 (3)

NeQ 1 + (Ti /TeQ)+(Eq/Ep)2 '

Здесь Ti - температура ионов, Е0 - амплитуда электрического поля мощной волны, Ер - характерное плазменное поле. Заметим, что формула (3) справедлива до значений E0 < Ep [1].

Под действием мощного радиоизлучения в ионосфере происходит

увеличение температуры Те электронов плазмы, что вызывает изменение электронной концентрации Ne вследствие изменения баланса ионизации и диффузионного выталкивания плазмы из нагретой области. Первый процесс играет основную роль на высотах до 2 ~ 180...200 км, второй - в F-слое ионосферы [1].

На высотах F-слоя, где определяющими являются процессы диффузии, нагрев электронного газа приводит к уменьшению концентрации (ДМе/Ме < 0) в нагретой области. В области максимума F-слоя устанавливается гидродинамическое равновесие в распределении концентрации.

Приведенное выражение для ДМе0/Ме0 получено без учета теплопроводности и фотохимических реакций, поэтому дает оценку максимальных изменений электронной концентрации в ОВ для слоя F. Оценки, сделанные по этой формуле, показывают, что при работе нагревного передатчика на частоте 6 МГц с эффективной мощностью 100-400 МВт можно было бы ожидать образование ОВ с максимальными значениями ДМе/Ме0 < 0,2^0,5. При этом ясно, что учет названных выше факторов должен приводить к снижению величины ДМе/Ме0.

Таким образом, максимальные возмущения электронной концентрации в нагретой области, расположенной на высотах 100 < 2 < 400 км, определяются выражением

= 1(2)

Ne0

2

Ео

V ЕР )

а

Р( 2 )(Ео/ Ер )2 1 + Т / Тео ) + (Ео/ Ер )2

0 / Е Р

Здесь у(2) и Р(2) учитывают переход по высоте от определяющей роли в значениях возмущений фотохимических процессов к процессам переноса.

Вертикальные размеры 20 крупномасштабной ОВ во многом определяются ионосферными условиями [1], а горизонтальные Х0 - шириной диаграммы направленности нагревного передатчика.

С учетом этого относительные изменения электронной концентрации при отражении мощной волны на высоте 2 = 20, вызываемые вертикальным нагревом ионосферы передатчиком, имеющим горизонтальную координату Хв , определяются выражением

Р(Ео/Ер }

N ^о

Ео

V Ер )

1 + Т / Тео )+(Ео/ Ер )2

х

X <

1

(2 - 2в )3

о,1 +12 - 2

|3

+ а ехр

" (2 - 2в )2

72 2о

ехр

X - X

о

(4)

Первое слагаемое в фигурных скобках учитывает нагрев ионосферы за счет омических потерь при прохождении мощной волны до точки отра-

2

>

жения 2 = 2в. Калибровочная константа а учитывает поглощение радиоволн в нижележащих слоях, «разбухание» поля вблизи точки отражения, трансформацию волн в продольные колебания и другие факторы. Подбором величины а можно достичь соответствия расчетной величины ЛЫе/Ые0, определяемой моделью (4), с величиной ЛМе/Ые0, полученной по результатам прямых экспериментов.

Величина (Е0/Ер)2 определяется выражением

Г Л2 п

5,2 • 1013 РО

Е,

0

V ЕР )

57^0^ 2

(®в + )2 + ^эфф ]2

(®в Г + Vэфф _

Здесь Те0 - невозмущенная температура электронов, выраженная в градусах Кельвина, 5 - часть энергии, отдаваемая электроном при столкновении, ю# - гирочастота и уэфф - эффективная частота соударений электронов, 2 -высота в км, РО - в киловаттах. Частота нагрева юВ определяется по высоте 2в из профиля невозмущенной ионосферы Ые0(2).

Величины у, в, 5, Те0, Т0 и вертикальный размер 20 необходимо задавать. Для средних широт и среднего уровня солнечной активности эти сведения содержаться в табл. 1. (частично взятой из [1]), причем верхнее число в каждой строке для Те0, Т0 и 2 соответствует дневным условиям, а нижнее - ночным. Расчеты величины ЛЫе/Ые0, описываемой формулой (4), были сделаны с использованием невозмущенного профиля электронной концентрации, задаваемого моделью [3], скорректированной по прогнозам максимальная предельная частота (МПЧ) [4] (критические частоты) и картам геометрических параметров слоя Е2 [5] (высота максимума).

Таблица 1

Исходные данные

2, км 100 150 200 250 300 350 400

Те0, оК 240 800 1300 1700 2000 2200 2400

210 670 900 1000 1200 1300 1400

Т0, оК 210 210 670 650 1100 850 1300 910 1400 930 1420 940 1450 950

у 0,5 0,35 0 0 0 0 0

в 0 0 0,3 0,9 0,88 0,8 0,7

20, км 0,10 0,20 0,52 3,1 2,3 3,0 9,2 16,0 28 72,0 70 470 170 900

5 2-10-3 110-3 3-10-4 9-10-5 5-10-5 5-10-5 5-10-5

Приведем ряд примеров. Рис. 1 иллюстрирует деформацию высотного профиля электронной концентрации при нагреве дневной ионосферы на высотах 2в = 300 км (кривая 2), 2в = 250 км (кривая 3) и 2в = 115 км

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 11. Ч. 1 (кривая 4) передатчиком с эквивалентной мощностью РО = 100 МВт.

Рис. 1. Высотный профиль невозмущенной электронной концентрации (кривая 1) дневной ионосферы и профили при нагреве ионосферы полем

мощной радиоволны (кривые 2-4)

Кривая 1 характеризует невозмущенный профиль электронной концентрации. Значение коэффициента а выбрано равным 2.

Зависимость степени искусственной возмущенности дневной ионосферы АМе/Нео от эквивалентной мощности нагревного передатчика и высоты нагрева отражена в табл. 2. Расчеты сделаны при следующих значениях величин: /0Е = 2,5 МГц, = 6 МГц, Хв = 1300 км, а = 2.

Таблица 2

Зависимость степени искусственной возмущенности дневной ионосферы АЫе/Мео от эквивалентной мощности нагревного передатчика и высоты нагрева

2в, км РО, МВт\ 115 170 200 220 250 280 300

30 +0,21 +0,01 -0,04 -0,07 -0,11 -0,10 -0,10

100 +0,29 +0,04 -0,12 -0,21 -0,34 -0,31 -0,31

150 +1,1 +0,08 -0,18 -0,29 -0,47 -0,44 -0,43

Анализ расчетов, сделанных по предложенной модели, показал ее качественное согласие с расчетами параметров ОВ, выполненных другими методами, в частности, [1]. Видно, что нагрев ^слоя ионосферы наиболее эффективен вблизи максимума слоя, а именно, при 2в ~ 0,8 2^2, где 2К2 -высота максимума ^слоя. С ростом эквивалентной мощности нагревного передатчика значения относительных изменений электронной концентрации растут. Для эффективного нагрева ночной ионосферы требуются гораздо меньшие значения РО, чем днем.

Результаты расчета, иллюстрирующие высотную зависимость относительного изменения электронной концентрации ОВ при нагреве ионосферы на частотах 4,6 МГц в условиях летней ночи, представлены на рис. 2.

Рис. 2. Высотная зависимость относительных изменений электронной

концентрации

Эквивалентная мощность нагрева, определяемая произведением мощности .передатчика и коэффициентом усиления антенны, равна 20 МВт. Увеличение эквивалентной мощности стенда нагрева на порядок, согласно расчетам (рис. 4. пунктир), приводит к увеличению относительного изменения концентрации ОВ в слое ионосферы до 30... 40 %. Сезонно-суточные вариации максимальных значений концентрации ОВ при нагреве среднеширотной ионосферы на частоте 4,6 МГц стендом мощностью 20 МВт приведены на рис. 3. Кривые 1, 2, 3 соответствуют вариациям концентрации ОВ для летнего сезона, равноденствия и зимы. Характерное уменьшение концентрации ОВ в дневное время связано с уменьшением

высоты ОВ до 200...240 км. Зимой в ночное время концентрация ОВ пренебрежимо мала ввиду того, что частота нагрева превышает критическую частоту ^слоя.

4 8 12 16 20 24

Рис. 3. Сезонно-суточные вариации максимальных значений

возмущений концентрации: кривая 1 - лето; кривая 2 - равноденствие;

кривая 3 - зима

В процессе счета определяется максимальная предельная частота волны (МПЧ), отражающейся от F-слоя ионосферы на трассе заданной протяженности. Анализ результатов расчета показал, что изменения МПЧ зависят от величины AN/N, размеров ОВ, соотношения частот нагревной и пробной радиоволн и критической частоты слоя F, расположения ОВ от излучателя пробных волн, величины и знака регулярного градиента Ne на трассе. Так, получено, в частности, что для AN/N « 0,2 изменения МПЧ в дневных условиях на трассе длиной около 3000 км могли бы составить примерно 15 %.

Таким образом, предложена двумерная модель крупномасштабной области изменения электронной концентрации, возникающей в ионосфере под действием мощного радиоизлучения. При построении модели были учтены основные процессы, принимающие участие в формировании крупномасштабной ОВ. Модель необходима для использования ее в траектор-ных расчетах и предназначена для выбора оптимальных условий проведения конкретных экспериментов и интерпретации полученных данных.

Список литературы

1. Гуревич А.В., Шварцбург А.В. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере. М.: Наука, 1973, 272 с.

2. Иванов-Холодный Г.С., Никольский Г.М. Солнце и ионосфера. М.: Наука, 1969, 455 с.

3. Месячный прогноз максимально-применимых частот. М.: Гидро-метеоиздат, 1960, 158 с.

4. Ануфриева Т.А., Шапиро B.C. Геометрические параметры слоя F ионосферы. М.: Наука, 1976, 162 с.

5. Гурерич А.В., Фитцук Д.И., Цедилина Е.Е. Трехмерная аналитическая модель распределения электронной концентрации спокойной ионосферы. Геомагнетизм и аэрономия. 1973. 13. № 1. С. 31-40.

A.V. Novikov, A.V. Komissarov, M.V. Osyko

TWO-DIMENSIONAL MODEL OF ARTIFICIAL AGITATION AREA FOR ON-LINE COMPUTATION OF RADIOWAVES CHARACTERISTICS

The aufbau principle for constructing a two-dimensional analytical large-scale model of an artificial agitation area was considered. The computation of electron density at ionosphere agitation with a radio-wave field of a heating stand with a fixed effective power.

Key words: agitation area, electron density, ionosphere, height profile of density.

Получено 17.10.12