Способ определения температуры атмосферы на высотах е-слоя ионосферы

 

Изобретение относится к способам исследования атмосферы, в частности к измерению ее температуры на высотах Е-слоя ионосферы. Цель изобретения - ускорение и упрощение процесса реализации способа при заданной точности. Способ заключается в излучении в ионосферу последовательности зондирующих радиоимпульсов, приеме обратнорассеянных неоднородностями ионосферной плазмы радиоимпульсов и измерении их параметров с последующим вычислением температуры атмосферы. Цель достигается за счет определения температуры атмосферы по результатам измерения высотной зависимости времени релаксации горизонтальных искусственных неоднородностей ионосферной плазмы. 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (! I) (si)s G 01 S 13/95

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4797933/09 (22) 28.02.90 (46) 07.05.92. Бюл. М 17 (71) Нижегородский научно-исследовательский радиофизический институт (72) В.В.Беликович, Е.А.Бенедиктов и

А.В.Толмачева (53) 621.396.96 (088.8) (56) Хвостиков И.А. Физика озоносферы и ионосферы. Ионосферные исследования.

M.: Изд-во, АН СССР, 1963, М 11, с. 485 — 491.

Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988, с. 124 — 138 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ АТМОСФЕРЫ НА ВЫСОТАХ Е-СЛОЯ

ИОНОСФЕРЫ

Изобретение относится к геофизике, в частности к дистанционным способам измерения температуры атмосферы на высотах

Е-слоя ионосферы (h 100 — 130 км), и может быть использовано для изучения вариаций температуры и уточнения моделей атмосферы в данном высотном интервале.

Известны способы определения высотного распределения температуры атмосферы с помощью метеорологических ракет.

Недостатком этих способов является невозможность проведения большого числа однотипных исследований вследствие как высокой стоимости ракетных пусков, так и необходимости привязки к местонахождению ракетных полигонов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ некогерентного рассеяния радиоволн для определения параметров ионосферной (57) Изобретение относится к способам исследования атмосферы, в частности к измерению ее температуры на высотах E-слоя ионосферы. Цель изобретения — ускорение и упрощение процесса реализации способа при заданной точности. Способ заключается в излучении в ионосферу последовательности зондирующих радиоимпульсов, приеме обратнорассеянных неоднородностями ионосферной плазмы радиоимпульсов и измерении их параметров с последующим вычислением температуры атмосферы. Цель достигается за счет определения температуры атмосферы по результатам измерения высотной зависимости времени релаксации горизонтальных искусственных неоднородностей ионосферной плазмы. 2 ил. плазмы: температур электронов и ионов и частоты электронно-молекулярных соударений. По этому способу излучают зондирующие радио-импульсы.на достаточно высокой частоте и измеряют интенсивность обратнорассеянных флуктуациями электронной концентрации радиоимпульсов и их частотный спектр. В частотном спектре обратнорассеянных радиоимпульсов выделяют составляющие, соответствующие линиям ион но-звуковых волн. По форме частотного спектра определяют отношение электронной и ионной температур Te/Т, а по расположению спектральных составляющих— значения температур. Способ применяют с наилучшим эффектом на высотах F-слоя ионосферы, где электронная концентрация достаточно велика и Те > Ть

Использование высоких частот (50150 МГц), существенно превышающих

1732309

10

40

55 гирочастоты и плазменные частоты, упрощает расчеты высоты рассеивающего объема и делает наблюдения надежными независимо от состояния ионосферы.

Однако применение известного способа связано с рядом затруднений. Очень небольшая величина рассеянного сигнала на высоких частотах требует применения радиолокатора с высоким потенциалом. Необходимость увеличения отношения сигнал/шум приводит к сужению полосы приемной установки, которая в то же время не должна ограничивать спектральное разрешение ионно-звуковой линии. Эти противоречивые требования приводят к значительному усложнению измерительного комплекса и методики измерений. В частности, для получения хорошей точности

{5 — 10%) измерений в F-области ионосферы требуется накопление в течение 10 мин и усреднение по десяткам тысяч реализаций.

На высотах Е-слоя ионосферы электронная концентрация (а следовательно, и мощность принимаемых радиоимпульсов) на порядок меньше, чем в F-области, при этом среднеквадратичнь е ошибки определения температуры здесь возрастают до 30 — 100%. Для уменьшения статистических погрешностей измерений (до 10%) на высотах Е-слоя ионосферы способом некогерентного рассеяния необходимо более длительное (до получаса) время накопления. Поэтому за исключением отдельных задач этот способ не получил широкого применения для диагностики атмосферы на высотах 100 — 130 км.

Сложной является и методика обработки данных наблюдений, включающая решение многопараметрической обратной задачи для выделения влияния каждого из ионосферных параметров на результат измерений.

Цель изобретения — ускорение и упрощение процесса реализации способа при заданной точности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения температуры атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы, включающем излучение в ионосферу последовательности зондирующих радиоимпульсов, прием обратно рассеянных неоднородностями ионосферной плазмы радиоимпульсов и измерение их параметров с последующим вычислением температуры атмосферы, формируют периодическую структуру неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей одной из магнитоионных компонент, на частоте выше критической для Е-слоя, но ниже критической для F-слоя ионосферы, зондирующие радиоимпульсы излучают по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поляризацией, измеряют временные зависимости амплитуд сигналов, обратнорассеянных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на высотах h1, h1+>, по уменьшению амплитуды обратнорассеянного сигнала в I раз находят времена релаксации t(h1),r (h>+p), температуру атмосферы Т вычисляют по формуле т Ея.. h) +1 h)

Ж г

Ь (Ь ). „г(h)) где m — средний молекулярный вес молекул атмосферного газа;

g — ускорение свободного падения на . высотах Е-слоя ионосферы;

g- постоянная Больцмана;

n(h>), п(1+1) — показатели преломления радиоволн в ионосферной плазме на высотах hj, Й1+1.

На фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа определения температуры атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы; на фиг.2 — временные диаграммы работы при осуществлении способа.

Устройство, реализующее способ, содержит задающий генератор 1, передатчик

2 с антенной 3, передатчик 4 с антенной 5, . приемник б с антенной 7, регистратор 8 и синхронизатор 9.

Способ осуществляют следующим образом, Воздействуют на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей одной из магнитоионных компонент на частоте выше критической частоты Е-слоя, но ниже критической для Fслоя ионосферы, формируя тем самым в ионосфере периодическую структуру искусственных неоднородностей ионосферной плазмы..

Для этого с помощью задающего генератора 1 (фиг.1) формируют непрерывный синусоидальный сигнал на частоте fp. С помощью управляемого синхронизатором 9 передатчика 2 с антенной 3 излучают в зенит возмущающее радиоизлучение. Поскольку частота fp возмущающего радиоизлучения меньше критической частоты Рг слоя ионосферы, направленное в зенит радиоизлучение отражается от ионосферы. 3а счет интерференции падающего и отраженного радиоизлучения во всем высотном интервале от уровня Земли

1732309 до высоты отражения формируется стоячая волна, возмущающая ионосферную плазму.

Возмущающее воздействие стоячей волны проявляется в перераспределении плазмы в поле этой волны и формировании за счет этого в указанном высотном интервале периодической структуры горизонтальных искусственных неоднородностей ионосферной плазмы с периодом =ОЯ, где il, — длина волны возмущающего радиоизлучения в среде.

После окончания воздействия на ионосферу возмущающего радиоизлучения, т.е. после выключения передатчика 2, на той же частоте fo излучают в зенит последовательность радиоимпульсов с поляризацией, соответствующей поляризации возмущающего радиоизлучения. Для этого с помощью синхронизатора 9 формируют последовательность импульсов для управления передатчиком 4. Излучают в зенит с помощью передатчика 4 с антенной 5 последовательность радиоимпульсов на частоте fo, сформированные с помощью задающего генератора 1 и синхронизатора 9.

Принимают с помощью приемника 6 с антенной 7 радиоимпульсы, обратнорассеянные периодической структурой искусственных неоднородностей ионосферной плазмы. Поскольку частота и поляризация зондирующих радиоимпульсов совпадают с соответствующими характеристиками возмущающего радиоизлучения, то каждый зондирующий радиоимпульс рассеивается во всем интервале высот от нижней границы ионосферы Ьмин до высоты г1макс отражения

F-слоем (фиг.2).

При приеме измеряют временные зависимости амплитуд сигналов, обратнорассеянных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на высотах hi, hi+1, Для этого с помощью синхронизатора 9 формируют последовательность стробирующих импульсов для управления регистратором 8. С помощью регистратора 8 измеряют в моменты поступления стробирующих импульсов амплитуду сигнала, соответствующего высотам hi и hi+>, При этом задержка стробирующих импульсов относительно момента излучения зондирующего радиоимпульса определяет высоты hi и hi+< (фиг,2). Зондирование продолжается несколько секунд. При этом интенсивность искусственныхх неоднородностей ионосферной плазмы уменьшается вследствие диффузии, и в соответствии с этим уменьшаются амплитуды обратнорассеянных.сигналов.

При этом время релаксации обратнорассеянных радиоимпульсов после окончания возмущающего воздействия обусловлено расплыванием искусственных неоднородностей в Е-слое ионосферы вследствие амбиполярной диффузии

«вЂ”

mi Ит

4К Ж(Те+Т1)

2л где К= -у-, А — длина волны возмущающего радио10 излучения в среде, м; у — постоянная Больцмана, у = 1,38 х 10 2з Дж-град 1; и — частота соударений ионов с молекулами, с ".

На этих высотах плазма находится в тепловом равновесии, т.е. температура электронов Т близка к температуре ионов

Т и молекул (Te = Ti = Т), а средний мблекулярный вес ионов mi близок к среднему молекулярному весу молекул m (пц m), По уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в I раз находят времена релаксации «(hi),«(hi+<), а температуру атмосферы Т вычисляют по формуле

Т Ея.. hi+1- hi

«(h;+ ). n (h;+>)

iï

r(h;) . и (h;) где m — средний молекулярный вес молекул атмосферного газа;

g — ускорение свободного падения на высотах Е-слоя ионосферы;

n(h;), n(hi+<) — показатели преломления радиоволн в ионосферной плазме на высотах hi hi+<

Формула изобретения

Способ определения температуры атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы, 40 включающий излучение в ионосферу последовательности зондирующих радиоимпульсов, прием обратно рассеянных неоднородностями ионосферной плазмы радиоимпульсов и измерение их параметров с последующим вычислением температуры атмосферы, отличающийся тем, что, с целью. ускорения и упрощения процесса реализации способа при заданной точности, формируют периодическую структуру неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей одной из магнитоионных компонент, на частоте выше критической

55 для Е-слоя, но ниже критической для F-слоя ионосферы, зондирующие радиоимпульсы излучают по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поляризацией, измеряют временные

1732309

10 мин g j+ 1

После8о 6ателЬносгл5

cmPodup y u u x имл илью

Рыг. 2

Составитель Б.Лугина

Техред М.Моргентал маКС

Корректор Т.Палий .

Редактор А. Козориз

Заказ 1582 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 зависимости амплитуд сигналов, обратнорассеянных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на высотах hj, hj+>, по уменьшению амплитуды обратнорассеянного сигнала в I раз находят времена релаксации z (hjj, t (hj+<), температуру атмосферы Т вычисляют по формуле

ЮЛ. hj+) -hj

У („,. +„)..пг. („+„) .(,) п2(,) где m — средний молекулярный вес молекул атмосферного газа;

g — ускорение свободного падения на высотах Е-слоя ионосферы;

5 - постоянная Больцмана;

n(hjj, п(Ь1+1) — показатели преломления радиоволн в ионосферной плазме на высотах hj, hj+>.